Biochimie

UNIVERSITATEA DE ŞTIINłE AGRONOMICE ŞI MEDICINĂ VETERINARĂ BUCUREŞTI FACULTATEA DE HORTICULTURĂ

CONF. DR. LILIANA BĂDULESCU

BIOCHIMIE HORTICOLĂ

2010

.

Biochimie horticolă

____________________________________________________________________________________________________________________________________________

1

.

Biochimie horticolă

PREFAłĂ

Biochimia, considerată până nu demult o ramură a chimiei, a rezultat din interferenŃa cunoştinŃelor fundamentale de biologie şi chimie, evoluând într-o ştiinŃă de sine stătătoare, interdisciplinară, care tratează materia vie în unitatea ei structurală şi funcŃională. Studiul compoziŃiei chimice a organismelor vegetale a evidenŃiat existenŃa unui număr uimitor de mare de substanŃe, îndeosebi organice, care se află într-o continuă transformare datorită schimbului permanent de substanŃe şi energie al materiei vii cu mediul ambiant. Lucrarea de faŃă prezintă atât descrierea structurii şi proprietăŃilor principalelor categorii de substanŃe din plante, mecanismele biochimice ale sintezei şi degradării lor la nivel celular, funcŃiile pe care la îndeplinesc, precum şi căile de control al principalelor procese biochimice în care sunt implicate. Numărul deosebit de mare al substanŃelor organice găsite în plante poate fi grupat fie după structura lor chimică (glucide, lipide, proteine, acizi organici, acizi nucleici, etc.), fie după rolul fiziologic pe care îl deŃin (substanŃe plastice, substanŃe de rezervă, substanŃe active şi substanŃe secundare). Din considerente didactice, în lucrare au fost selectate şi prezentate noŃiuni de biochimie descriptivă care abordează în cadrul fiecărei clase de compuşi organici, structura chimică, proprietăŃile şi reprezentanŃii importanŃi din plantele horticole, urmată de aspecte de metabolism, respectiv biochimia proceselor metabolice care include şi căile de reglare a celor mai importante dintre acestea. S-a dorit astfel o abordare structurală şi funcŃională a substanŃelor organice care intră în alcătuirea organismelor vegetale, constituind o bază pentru înŃelegerea fiziologiei, geneticii şi ameliorării plantelor horticole, precum şi a aplicării tehnologiilor de cultură în scopul îmbunătăŃirii cantitative şi calitative a recoltelor, a creşterii rezistenŃei plantelor la boli şi dăunători, la secetă şi îngheŃ şi a produselor horticole la păstrare. Pornind de la aceste premise, lucrarea „Biochimie horticolă” se adresează cu predilecŃie studenŃilor FacultăŃii de Horticultură, forma de ÎnvăŃământ la DistanŃă, însă poate constitui un punct de plecare în studiul biochimiei vegetale şi pentru viitori specialişti cu profil înrudit.

Autoarea

____________________________________________________________________________________________________________________________________________

2

.

Biochimie horticolă

____________________________________________________________________________________________________________________________________________

3

.

Biochimie horticolă

CUPRINS Capitolul 1. NoŃiuni introductive 1.2. SubstanŃele anorganice 1.2.1. Apa 1.2.2. SubstanŃele minerale Capitolul 2. Glucide 2.1. NoŃiuni introductive 2.2. Principalele glucide din speciile horticole 2.2.1. Monoglucidele şi derivaŃii lor 2.2.2. Oligoglucide 2.2.3. Poliglucide Capitolul 3. Lipide 3.1. NoŃiuni introductive 3.2. Acizii graşi 3.3. Alcooli 3.4. Lipide simple 3.4.1. Gliceride 3.4.2. Ceride (ceruri vegetale) şi etolide 3.5. Lipide complexe 3.5.1.Fosfatide (fosfolipide) 3.5.2. Sfingolipide 3.5.3. Glicolipide 3.5.4. Sulfatide Capitolul 4. Aminoacizi şi proteine 4.1. Aminoacizi 4.1.1. Structură, clasificare şi rol biochimic 4.1.2. ProprietăŃi generale ale aminoacizilor 4.2. Peptide 4.2.1. ProprietăŃi generale ale peptidelor 4.2.2. Peptide din plante 4.3. Proteine 4.3.1. Structura proteinelor 4.3.2. ProprietăŃi generale ale proteinelor 4.3.3. Proteine cu importanŃă biologică Capitolul 5. Acizi nucleici 5.1. Nucleotide 5.2. Structura, rolul şi proprietăŃile ADN 5.3. Structura, clasificarea şi proprietăŃile ARN Capitolul 6. Vitamine 6.1. Vitamine hidrosolubile – structură, clasificare şi rol biochimic 6.1. Vitamine hidrosolubile – structură, clasificare şi rol biochimic 6.3. Modificarea conŃinutului în vitamine pe parcursul creşterii şi maturării Capitolul 7. Hormoni 7.1. Principalii hormoni vegetali 7.1.1. Auxine 7.1.2. Gibereline 7.1.3. Citochinine 7.1.4. Acidul abscisic 7.1.5. Etilena 7.1.6. Alte substanŃe reglatoare de creştere şi maturare 7.2. Activitatea hormonală

6 7 7 8 13 13 14 14 23 26 31 31 32 33 39 39 40 41 41 43 43 43 45 46 46 48 50 50 51 52 53 58 60 64 64 66 69 71 71 76 76 80 80 80 81 82 83 83 84 86

____________________________________________________________________________________________________________________________________________

4

.

Capitolul 8. PigmenŃii vegetali 8.1. SubstanŃele carotenoide 8.2. PigmenŃii clorofilieni 8.3. SubstanŃele flavonoide 8.4. SubstanŃele fenolice Capitolul 9. Metabolismul plantelor 9.1. NoŃiuni introductive 9.2. Enzimele 9.3. Metabolismul glucidic 9.3.1. Biosinteza glucidelor 9.3.2. Biodegradarea glucidelor 9.4. Metabolismul lipidic 9.4.1. Biosinteza lipidelor 9.4.2. Biodegradarea lipidelor 9.5. Metabolismul proteinelor 9.5.1. Biosinteza şi interconversia aminoacizilor 9.5.2. Biosinteza proteinelor 9.5.2. Biodegradarea proteinelor 9.6. Ciclul Krebs 9.7. Biodegradarea anaerobă Capitolul 10. Transformarea substanŃelor în plante

Biochimie horticolă

88 88 90 93 96 99 99 104 108 108 114 119 119 120 122 122 124 128 129 130 135

____________________________________________________________________________________________________________________________________________

5

.

Biochimie horticolă

CAPITOLUL 1. NOłIUNI INTRODUCTIVE DefiniŃia şi obiectul biochimiei Biochimia este ştiinŃa modernă care studiază materia vie şi procesele specifice acesteia sub raportul compoziŃiei, tipului, structurii moleculare, asamblării şi corelaŃiilor biomoleculelor componente, precum şi al proceselor de biosinteză şi biodegradare prin care se generează şi se consumă energia necesară vieŃii. Caracteristicile biochimice ale organismelor vii Comparativ cu materia nevie, organismele vii se caracterizează printr-un ansamblu de principii şi trăsături definitorii de organizare şi funcŃionare la nivelul moleculelor, cum ar fi: • Sunt sisteme deschise, adică se află într-un permanent schimb de materie, energie şi informaŃie cu mediul ambiant şi au drept caracteristică definitorie metabolismul, concept care defineşte esenŃa materială şi dinamismul vieŃii; • Posedă un înalt grad de organizare şi complexitate, adică sunt alcătuite din diferite tipuri de molecule şi macromolecule cu structuri variate şi funcŃii specifice; • Reprezintă o stare calitativ superioară, atât sub aspectul naturii, structurii şi modului de asamblare a biomoleculelor componente, dar mai ales sub aspectul interacŃiunilor dintre acestea; • Au capacitatea unică de a absorbi şi de a transforma energia din mediul ambiant, adaptând-o şi utilizând-o pentru sinteza propriilor structuri şi pentru menŃinerea organizării structurale; • Au capacitatea de autoreplicare precisă din generaŃie în generaŃie, în forme identice ca masă, conformaŃie, structuri interne şi proprietăŃi; • Pentru toate organismele vii, celula este unitatea de bază structurală şi funcŃională, ce conŃine echipamentul complet pentru menŃinerea şi continuitatea vieŃii.

____________________________________________________________________________________________________________________________________________

6

.

Biochimie horticolă

1.2. SUBSTANłELE ANORGANICE Organismele vegetale au o compoziŃie chimică foarte complexă şi variabilă în funcŃie de vârstă, organ, condiŃiile de cultură. Se cunoaşte deja faptul că materia vie este formată dintr-un număr aproape constant de elemente chimice, însă în proporŃii diferite în funcŃie de specie şi condiŃiile de mediu. Dintre acestea aproximativ 99% sunt reprezentate de macroelemente - elemente care intră în alcătuirea tuturor celulelor vii (C, H, O, N, S, P, K, Ca, Mg, Na, Fe, Si, Cl), restul fiind reprezentat de microelemente - peste 60 de elemente aflate în cantităŃi mici (Cu, Mn, Mo, Zn, F, B, Co, Cr, Ni, Al, Pb, etc.). Aceste elemente chimice formează o varietate extrem de mare de combinaŃii grupate în substanŃe organice (ex. glucide, lipide, proteine, vitamine, etc.) şi substanŃe anorganice (apa şi substanŃele minerale), aflate în diferite proporŃii în organismele vegetale. Totalitatea substanŃelor organice şi a substanŃelor minerale alcătuiesc substanŃa uscată, care poate reprezenta între 3 % (la fructele de castraveŃi) şi 88% (la seminŃele de fasole) din masa totală, restul fiind reprezentată de apă. Apa constituie mediul de desfăşurare a reacŃiilor biochimice, participă la transportul substanŃelor dizolvate, reglarea temperaturii plantelor şi creşterea acestora. SubstanŃele minerale intră în alcătuirea unor compuşi chimici cu rol structural, dar au şi o importanŃă fiziologică deosebită, fiind activatori sau inhibitori ai unor sisteme enzimatice sau fiind componente ale unor substanŃe organice (enzime, coenzime, pigmenŃi etc.). Apa şi sărurile minerale provin în cea mai mare parte din sol, de unde sunt absorbite de către plante cu ajutorul rădăcinilor. Într-o măsură mai mică provin şi din absorbŃia, prin organele aeriene, a apei de ploaie sau de rouă, a elementelor minerale din soluŃiile de îngrăşăminte sau insecto-fungicide aplicate prin stropiri foliare. Sărurile minerale absorbite din sol sub formă de ioni sunt transportate împreună cu apa în toate organele plantelor. În celule, ionii se pot acumula în citoplasmă sub formă de săruri solubile sau insolubile (ex. oxalat de Ca) sau pot ramâne în vacuole sub formă de ioni. 1.2.1. Apa In Ńesuturile vegetale, apa se găseşte sub formă liberă, reprezentată în special de apa din vacuole şi din Ńesuturile conducătoare şi sub formă legată, reprezentată de apa cuprinsă în coloizii hidrofili. Apa liberă împreună cu apa legată alcatuiesc apa totală. Macovschi (1969), în teoria sa asupra biostructurii, susŃine că există şi o a treia formă, apa asimilată, integrată în biostructură şi care se eliberează numai odată cu moartea organismului. În organismele vegetale proporŃia de apă variază în funcŃie de organul analizat. Astfel, tulpinile plantelor lemnoase au între 20-30% apă, frunzele între 80-90%, fructele între 7590%, iar seminŃele între 8-15%. ProporŃia în care apa se află în Ńesuturile vegetale ____________________________________________________________________________________________________________________________________________

7

.

Biochimie horticolă

influenŃează capacitatea de păstrare a legumelor şi fructelor, sensibilitatea lor la manipulare şi transport etc. Produsele care au un conŃinut ridicat de apă au o capacitate de păstrare redusă şi un grad de perisabilitate mai ridicat comparativ cu cele la care conŃinutul în apă este mai mic. În general, legumele şi fructele au un conŃinut în apă care variază în limite foarte largi (3-97%), în funcŃie de specie (tabelul nr. 1). Între soiuri, limitele de variaŃie ale conŃinutului în apă sunt mai mici (1-16%). Tabelul 1 Limitele conŃinutului în apă din legume şi fructe (Gherghi şi colab.,1973, 1980) Specia 1 Ardei Cartofi Ceapă CastraveŃi Ciuperci Conopidă Dovlecei Fasole verde Gulii Mazăre verde Morcov Păstârnac Pătrunjel Pepene verde Pepene galben Praz Ridichi Salată Sfeclă roşie Spanac Sparanghel Tomate łelina Varză albă Varză roşie Vinete

g/100 g produs proaspăt 2 87-93 73-80 80-87 90-97 90-91 87-92 80-90 85-90 85-92 72-78 85-91 78-82 75-88 92-94 80-85 80-90 85-94 90-96 82-91 87-93 90-93 93-96 82-95 88-93 88-92 90-93

Specia 3 Afine Agrişe Alune Ananas Banane Castane Căpşuni Caise Cireşe Coacăze negre Coacăze roşii Grapefruit Gutui Lămâi Mere Migdale Nuci Piersici Pere Portocale Prune Struguri Smochine Vişine Zmeură

g/100 g produs proaspăt 4 79-86 83-88 3-6 82-89 70-77 47-53 84-93 79-88 75-87 77-85 81-89 86-91 77-87 89-91 77-88 4-6 3-7 82-91 79-87 84-87 72-88 75-83 78-83 77-88 80-86

1.2.2. SubstanŃele minerale ConŃinutul în substanŃe minerale este caracteristic pentru o specie sau pentru un organ vegetal şi variază în limite destul de largi în funcŃie de factorii climatici, pedologici, tehnologia de cultură etc. Cantitatea de substanŃe minerale, exprimată în conŃinut de cenuşă rezultată în urma calcinării (arderii, oxidării) substanŃei uscate, variază între 0,2-2 % la fructele şi legumele proaspete. PărŃile lemnoase şi seminŃele au un conŃinut mai redus de substanŃe minerale (exprimat în procente din substanŃa uscată) decât frunzele, iar plantele tinere au un conŃinut mai ridicat decât cele senescente (Burnea şi colab., 1977). ConŃinutul mediu al elementelor minerale care asigură creşterea plantelor variază cu specia. Valorile medii raportate la substanŃa uscată sunt cuprinse în următoarele limite: 0,3-5% pentru azot, 1____________________________________________________________________________________________________________________________________________

8

.

Biochimie horticolă

5% pentru potasiu, 0,1-5% pentru calciu, 0,1-0,5% pentru fosfor şi sulf, 0,15-0,35% pentru magneziu (Marschner, 1995). ConŃinutul total în elemente minerale din legume şi fructe variază între 0,27 % (dovlecei) şi 3,9 % (fasole boabe), iar al celor mai importante dintre ele este redată în tabelul 2. Tabelul 2. ConŃinutul în elemente minerale al legumelor şi fructelor (în 100 g parte edibilă) (Souci şi colab.1972,1981)

Element Specia

Na

K

Mg Ca Mn

Total (g)

Fe

Co

Cu

Zn

P

F

Cl

mg/100 g parte edibilă

I µg

LEGUME Ardei Cartofi Ceapă CastraveŃi Conopidă Ciuperci Dovlecei Fasole boabe Gulii Morcovi Mazăre verde Pătrunjel Păstârnac Praz Ridichi Ridichi negre Spanac Salata Sparanghel Tomate łelina Usturoi Varză albă

0,57 1,02 0,59 0,60 0,82 1,00 0,27 3,90

1,7 3,2 9,0 8,5 16,0 8,0 1,1 2,0

212 443 175 141 328 422 383 1310

12 25 9 8 17 13 8 132

11 10 31 15 20 8 22 102

0,10 0,15 0,36 0,15 0,17 0,11 0,04 2,00

0,40 0,80 0,50 0,50 0,63 1,26 0,80 6,10

0,001 0,010 0,350

0,10 0,15 0,08 0,09 0,40 0,08 0,84

0,03 0,27 1,40 0,16 0,14 0,39 0,20 2,80

29 50 42 23 0,23 123 44 429

0,01 0,04 0,02 54 0,03 -

19 45 37 0,01 67 18 47

2,3 3,8 2,0 2,5 0,29 18,0 -

0,95 0,86 0,92

32,0 60,0 2,0

380 290 304

43 18 33

68 41 24

0,13 0,21 0,66

0,90 0,66 1,84

0,003 0,002 0,003

0,12 0,08 0,38

0,23 0,39 2,65

49 35 108

0,001 0,03 0,03

57 61 28

1,4 15,0 4,2

1,68 1,18 0,86 0,90 0,75

33,0 8,0 5,0 17,0 18,0

880 469 225 255 322

41 22 18 8 15

203 51 87 34 33

0,20 0,07 0,05 0,05

6,80 0,62 1,00 1,50 0,80

-

0,21 0,10 0,30 0,15 0,13

0,92 0,08 0,31 0,16 0,20

63 73 46 26 29

0,11 0,07 -

156 24 44 19

3,6 8,0 8,0

1,51 0,72 0,62 0,61 0,94 1,42 0,59

65,0 10,0 4,0 6,3 77,0 32,0 13,0

633 224 207 297 321 515 227

58 11 20 20 9 36 23

126 37 21 14 68 38 46

0,76 0,35 0,27 0,14 0,15 0,46 0,10

4,10 1,10 1,00 0,50 0,53 1,40 0,50

0,002 0,009 -

0,12 0,05 0,15 0,09 0,02 0,26 0,06

0,50 0,22 0,32 0,24 0,31 1,00 0,18

55 33 46 26 80 134 27

0,11 0,03 0,05 0,02 0,01 0,01

54 57 53 60 150 30 137

20,0 3,3 7,0 1,7 2,8 2,7 5,2

Co

Cu

Zn

P

F

Cl

I

FRUCTE ELEMENT

Total

SPECIA

g

Alune Afine Agrişe Ananas Arahide Banane Castane Căpşuni Coacăze

2,44 0,30 0,45 0,39 2,22 0,83 1,18 0,50 0,80

Na

K

Mg Ca Mn

Fe

mg/100 g parte edibilă 2,0 1,0 1,6 2,1 5,2 1,0 1,5 2,5 1,5

636 65 203 173 706 393 707 147 310

156 2 15 17 163 36 145 15 17

226 10 29 16 59 9 333 26 46

4,20 0,40 0,04 0,11 1,13 0,53 0,75 1,20 0,68

3,80 0,74 0,63 0,40 2,11 0,55 1,32 0,96 1,29

0,012 0,030 -

1,28 0,11 0,09 0,08 0,55 0,13 0,23 0,12 0,11

µg 1,87 0,10 0,10 0,26 3,07 0,15 0,12 0,18

333 29 30 9 372 22 87 29 40

0,02 0,01 0,01 0,01 0,13 0,02 0,02 0,03

10 5 1 1 7 79 13 14 15

1,5 0,2 0,2 13,0 2,8 1,0 1,0

____________________________________________________________________________________________________________________________________________

9

.

Biochimie horticolă

negre Coacăze roşii Cireşe Caise Gutui Lămâi Mere Migdale Mure Măsline Nuci Pere Portocale Prune Piersici Struguri Smochine Vişine Zmeură

0,63

1,4

238

13

29

0,60

0,91

-

0,10

0,20

27

0,02

14

1,0

0,49 0,66 0,44 0,50 0,32 0,51 0,51 1,98 0,33 0,48 0,49 0,45 0,38 0,70 0,50 0,51

2,7 2,0 2,0 2,7 3,0 3,0 3,0 2,4 2,4 2,1 1,4 1,7 1,3 1,9 2,0 2,0 1,7

229 178 201 149 144 189 189 55 544 126 177 221 205 192 240 114 170

14 9 8 28 6 30 30 22 129 8 14 10 9 9 20 8 30

17 16 10 11 7 44 44 61 87 10 42 14 8 18 54 40

0,06 0,27 0,04 0,04 0,06 0,59 0,59 0,50 1,97 0,05 0,03 0,08 0,11 0,07 0,35 0,51

0,35 0,65 0,60 0,45 0,48 0,90 0,90 1,60 2,50 0,26 0,40 0,44 0,48 0,51 0,60 0,60 1,00

0,002 0,002 0,010 0,009 0,015 0,001 0,001 -

0,09 0,15 0,13 0,36 0,11 0,14 0,14 0,46 0,88 0,09 0,07 0,09 0,05 0,06 0,07 0,14

0,15 0,07 0,12 0,12 2,70 0,23 0,10 0,07 0,02 0,08 0,25 -

20 21 21 16 12 30 30 17 409 15 23 18 23 20 32 7 44

0,02 0,01 0,01 0,01 0,68 0,01 0,02 0,01 0,02 -

3 1 2 5 2 23 2 4 1 3 2 18 21 -

1,0 0,5 3,0 1,5 2,1 1,0 1,0 0,7 1,5 -

Cunoaşterea compoziŃiei minerale prezintă importanŃă atât pentru aprecierea stării de nutriŃie a plantelor, cât şi pentru aprecierea valorii alimentare a produselor horticole (Davidescu şi Davidescu, 1974). Analizele efectuate de Gherghi şi colab. (1982) la merele din soiul Starkrimson au evidenŃiat că proporŃia de elemente minerale variază chiar în diferite zone ale unui fruct. Astfel, în epicarp s-a determinat cel mai ridicat conŃinut în N, Cu, Al, Fe, Ni, Zn, Mn; în parenchimul din zonele casei seminale s-a determinat cel mai ridicat conŃinut în P, Cl, Ca, As, Na, Co, Cr, în timp ce în parenchimul din zona calicială s-a determinat cel mai ridicat conŃinut în S, Si, B şi V. Rolul elementelor minerale în corpul plantelor este extrem de variat şi specific, lipsa acestora sau carenŃa determină simptome specifice la nivelul frunzelor, în primul rând, dar şi la nivelul fructelor sau organelor de depozitare. Fosforul are rol în bioenergetica plantelor, intrând în componenŃa ATP, activează unele enzime şi este util în semnalizarea celulară. Potasiul reglează închiderea şi deschiderea stomatelor, reduce pierderea apei prin frunze în timpul transpiraŃiei şi creşte rezistenŃa plantelor la secetă. Azotul este esenŃial pentru procesul de creştere intrând în componenŃa tuturor proteinelor. Sulful este un component structural al unor aminoacizi şi vitamine, este esenŃial pentru activitatea cloroplastelor şi are rol în apărarea contra stresului oxidativ. Calciu reglează transportul altor nutrienŃi în plante şi este implicat în activarea unor enzime. Magneziu este componentă structurală a clorofilei, fiind implicat în procesul de fotosinteză; are rol în producerea ATP, este cofactor enzimatic. ____________________________________________________________________________________________________________________________________________

10

.

Biochimie horticolă

Fierul este component al substanŃelor transprtoare de electroni în procesul de fotosinteză, fiind implicat în transformarea energiei luminoase în energie biochimică şi este cofactor enzimatic. Molibdenul este cofactor al enzimelor din calea de biosinteză a aminoacizilor. Borul este implicat în transportul glucidelor, diviziunea celulară şi sinteza unor enzime. Cuprul este esenŃial în procesul de fotosinteză, intrând în compoziŃia plastocianinei; este implicat în biosinteza ligninei şi producerea seminŃelor. Manganul este un component esenŃial funcŃionării cloroplastelor şi procesului de fotosinteză, fiind implicat în fotoliza apei şi producerea de O2, H+ şi e-. Zincul joacă un rol escnŃial în transcripŃia ADN; este cofactor enzimatic. Clorul este necesar pentru realizarea osmozei şi are rol în fotosinteză. În cele ce urmează sunt prezentate câteva efecte ale carenŃei în Ca, Cl, Mo, Mn, Mg, Fe, K, Mn, N, P, S, Zn, B şi Cu la tomate.

____________________________________________________________________________________________________________________________________________

11

.

Biochimie horticolă

Autoevaluare 1. DefiniŃia şi obiectul biochimiei. 2. DefiniŃi macroelementele şi microelementele. Exemple. 3. DefiniŃi substanŃa uscată şi cenuşa. 4. Formele de apă din Ńesuturile vegetale. Limite de concentraŃie la 5 specii de legume şi 5 specii de fructe. 5. PrecizaŃi limitele conŃinutului de K şi Mg la speciile de legume şi fructe prezentate în tabelul 2. Bibliografie selectivă 1. Burnea, I., Popescu, I., NeamŃu, G., Stancu, E., Lazăr, Şt. 1977. Chimie şi biochimie vegetală. EDP Bucureşti. 2. Burzo, I., Voican, V., Dobrescu, A., Delian, E., Bădulescu, L. 1999. Curs de Fiziologia plantelor. AMC USAMV Bucureşti. 3. Gherghi, A., Burzo, I., Bibicu, M., Mărgineanu, L., Bădulescu, L. 2001. Biochimia şi fiziologia legumelor şi fructelor. Ed. II-a revăzută şi completată. Ed. Academiei Române. 4. Ionescu, M. 1970. Biochimia agricolă. Ed. Ceres Bucureşti. 5. Lehninger, A.L. 1987. Biochimie. Vol.1. Ed. Tehnică Bucureşti.

____________________________________________________________________________________________________________________________________________

12

.

Biochimie horticolă

CAPITOLUL 2. GLUCIDE Cuvinte cheie: monoglucide, glucoza, oligoglucide, zaharoza, poliglucide, amidon, metabolism, biosinteză, biodegradare, interconversie Rezumat Glucidele, cunoscute şi sub denumirea de zaharuri (zaharide), oze sau carbohidraŃi (hidraŃi de carbon) sunt definiŃi ca polihidroxialdehide/polihidroxicetone sau derivaŃi ai acestora. Formula empirică (CH2O)n a sugerat denumirea iniŃială de hidraŃi de carbon, studiile ulterioare dovedind o structură complexă, cu atomi de carbon asimetrici care conferă proprietăŃi specifice izomerilor monozaharidelor. După numărul de unităŃi componente se clasifică în monoglucide, oligoglucide şi poliglucide. Monoglucidele sau monozaharidele sunt constituite dintr-o singură unitate polihidroxialdehidică sau polihidroxicetonică, având 3-9 atomi de carbon, ceea ce conferă denumirea specifică: trioze-nonoze. Glucoza şi fructoza reprezintă compuşi de bază ai metabolismului intermediar, precum şi substanŃe organice de rezervă la unele specii de plante. Oligoglucidele conŃin între 2-10 unităŃi monozaharidice, unite prin legături glicozidice. Zaharoza este principala formă de transport a fotoasimilatelor în corpul plantelor. Polizaharidele conŃin mai multe unităŃi monozaharidice unite în lanŃuri liniare sau ramificate. Multe dintre polizaharide conŃin un singur tip sau două tipuri alternative de unităŃi monozaharidice. Polizaharidele au două funcŃii biologice majore: formă de stocare a energiei şi elemente structurale. Amidonul este forma principală de stocare a energiei la cele mai multe specii de plante, iar celuloza este principalul component structural situat la nivelul pereŃilor celulari ai celulelor vegetale. 2.1. NoŃiuni introductive Glucidele sunt substanŃe organice cu funcŃiune mixtă ce au în compoziŃia lor atât grupări lice, cât şi o grupare carbonilică. Glucidele constituie o clasă de substanŃe foarte importantă atât pentru organismele vegetale, cât şi pentru cele animale. Sub aspect biochimic şi fiziologic, glucidele constituie o materie primă pentru sinteza tuturor substanŃelor organice existente în plante: proteine, lipide, cetoacizi, acizi organici, etc. De asemenea, constituie substanŃe de rezervă utilizate de către celule şi Ńesuturi (amidon şi glucide solubile) sau pot avea rol plastic (celuloza, hemicelulozele, substanŃele pectice etc.).

Nomenclatura Cel care încearcă prima dată să denumească glucidele este C. Schmidt în anul 1844, care le denumeşte hidraŃi de carbon datorită raportului observat între atomii de hidrogen şi oxigen de 2:1. S-a propus iniŃial formula generală de Cn (H2O)n pentru glucidele simple, care ulterior a fost modificată în formula (CH2O)n, deşi are unele inconveniente: •

Hidrogenul şi oxigenul nu sunt legaŃi sub formă de molecule de apă de atomul de carbon

____________________________________________________________________________________________________________________________________________

13

.

Biochimie horticolă •

Există substanŃe de tipul aldehidei formice CH2O, acidul lactic C3(H2O)3, care nu sunt glucide. Structura chimică generală

Glucidele simple, de la care derivă glucidele complexe, sunt polihidroxialdehide sau polihidroxicetone. Conform acestei încadrări convenŃionale, cele mai simple glucide sunt aldehida glicerică, ca reprezentant al polihidroxialdehidelor, şi dihidroxiacetona – ca reprezentant al polihidroxicetonelor:

Glucidele care se caracterizează prin prezenŃa unei grupări aldehidice în moleculă se numesc aldoze, iar cele care conŃin o grupare cetonică poartă numele general de cetoze. Datorită prezenŃei grupărilor carbonilice şi hidroxilice în moleculă, glucidele prezintă reacŃiile chimice caracteristice acestor grupări funcŃionale. Clasificarea are la bază comportarea glucidelor la reacŃia de hidroliză: Oze – cunoscute şi sub denumirea de monoglucide sau glucide simple – sunt glucidele care prin hidroliză nu pot fi descompuse în molecule mai simple care să posede proprietăŃi fizicochimice caracteristice glucidelor; Ozide – cunoscute şi sub denumirea de glucide compuse – sunt substanŃe formate prin unirea mai multor molecule de monoglucide: •

Oligoglucide formate dintr-un număr mic (2-10) de resturi de monoglucide;

•

Poliglucide formate dintr-un număr foarte mare de monoglucide. Acestea se clasifică la rândul lor în homopoliglucide (formate dintr-un singur tip de monoglucidă) şi heteropoliglucide (formate din mai multe tipuri de monoglucide).

2.2. Principalele glucide din speciile horticole

2.2.1. Monoglucidele şi derivaŃii lor Monoglucidele se clasifică după lungimea catenei de atomi de carbon în trioze, tetroze, pentoze, hexoze, heptoze, octooze şi nonoze, iar după natura grupării carboxil (aldehidică sau cetonică) se clasifică în aldoze şi în cetoze.

____________________________________________________________________________________________________________________________________________

14

.

Biochimie horticolă

ProprietăŃi fizice Monozaharidele sunt substanŃe solide, cristalizate, incolore, inodore, solubile în apă, mai puŃin solubile în alcool şi insolubile în eter şi cloroform. Au gust dulce, fructoza fiind etalonul de apreciere a acestei proprietăŃi fizice, având valoare 1; valoarea indicelui de dulce al glucozei este 0,75. Când sunt încălzite, toate monozaharidele se descompun înainte de a se topi, în carbon şi apă, reacŃie numită carbonizare. ConfiguraŃia spaŃială, izomeria şi reprezentarea glucidelor Toate monozaharidele, cu excepŃia dihidroxiacetonei, conŃin unul sau mai mulŃi atomi de carbon asimetrici (adică atomul de carbon are patru substituenŃi diferiŃi), fiind considerate molecule chirale. Datorită asimetriei moleculare sunt optic active, adică au proprietatea de a roti planul luminii polarizate, atunci când sunt străbătute de acesta, şi deci de a se prezenta sub forma a două tipuri de izomeri optici: dextrogir care roteşte planul luminii polarizate spre dreapta şi se notează cu D sau (+) şi levogir care roteşte planul luminii polarizate spre stânga şi se notează cu L sau (–). De exemplu, forma obişnuită sub care se găseşte glucoza în natură este cea dextrogiră (

= +52,7˚), iar cea a fructozei este levogiră (

= – 92,4˚). Pentru

zaharidele cu 3 sau mai mulŃi atomi de C s-a adoptat convenŃia prin care prefixele D şi L se referă la atomul de carbon asimetric cel mai îndepărtat faŃă de atomul de carbon carbonilic. Aşa cum se observă din formulele de proiecŃie ale glucozei, forma D reprezintă imaginea în oglindă a seriei L. Două glucide care diferă prin configuraŃia unui singur atom de carbon se numesc epimere. Astfel, D-glucoza şi D-manoza sunt epimere în raport cu atomul de carbon 2, iar D-glucoza şi D-galactoza în raport cu atomul de carbon 4.

În soluŃie apoasă, monozaharidele acŃionează ca şi cum ar avea un centru de asimetrie în plus faŃă de cel prezentat anterior. Astfel, D-glucoza poate exista în două forme izomere care diferă prin rotaŃia specifică: α-D-glucoza cu

= + 112,2˚ şi β-D-glucoza cu

=+

18,7˚. Ambele forme au fost izolate în stare pură şi s-a constatat că au proprietăŃi fizice şi chimice deosebite. Când izomerii α şi β ai D-glucozei sunt dizolvaŃi în apă, rotaŃia optică a ____________________________________________________________________________________________________________________________________________

15

.

Biochimie horticolă

fiecăruia se modifică treptat în timp, atingând, la echilibru, valoarea de

= + 52,7˚, datorită

formării unui amestec de 1/3 α-D-glucoză şi 2/3 β-D-glucoză. Din diferite considerente chimice s-a dedus că izomerii α şi β ai glucozei nu au o structură deschisă, aşa cum a fost prezentată în formulele de proiecŃie, ci un ciclică, formată prin reacŃia prin reacŃia grupării hidroxil de la carbonul 5 cu gruparea aldehidică de la atomul de carbon 1. Ciclul de 6 atomi format se numeşte ciclul piranozic, iar glucoza poate forma după ciclizare α-D-glucopiranoza sau β-D-glucopiranoza.

La formarea structurii ciclice a glucozei, apare la fosta grupă carbonil o nouă grupare hidroxil, care se numeşte hidroxil glicozidic şi care are o reactivitate mai mare decât celelalte grupe hidroxil din moleculă. În acest caz, numerotarea carbonilor începe de la primul carbon de după oxigenul din ciclu, în sens orar. Aldopentozele, precum şi cetohexozele se ciclizează într-un ciclu cu 5 atomi numit ciclul furanozic, prezentând şi ele formele anomerice α şi β.

Pentru a indica forma ciclică a monozaharidelor se pot utiliza formulele de proiecŃie Haworth. Ciclul piranozic există în două conformaŃii, scaun şi baie, datorită rotaŃiei atomilor din moleculă în jurul unei singure legături.În soluŃiile apoase ale hexozelor predomină forma scaun, care este relativ rigidă şi mult mai stabilă decât forma baie. SubstituenŃii formei scaun nu sunt echivalenŃi chimic şi geometric, unii fiind axiali, alŃii ecuatorial; grupările hidroxil ecuatoriale ale piranozei sunt esterificate mai uşor decât cele axiale.

____________________________________________________________________________________________________________________________________________

16

.

Biochimie horticolă

ReprezentanŃi Triozele, monoglucide cu trei atomi de carbon - C3H6O3 - de exemplu: aldehida glicerică şi dihidroxiacetona. Se găsesc în plante sub formă de esteri fosforici, constituind produşii primari ai procesului de fotosinteză la plantele cu tip fotosintetic C3.

CHO

CHOH

H2COH

CH2OH

aldehida glicerică

CO

CH2OH

dihidroxiacetona

Tetrozele C4H8O4 au fost foarte puŃin identificate în natură, în stare liberă. Dintre aceste monoglucide cu 4 atomi de carbon, D-eritroza formată în ciclul pentozo-fosfat, reprezintă compusul iniŃial al ciclului acidului shikimic.

CHO

OH

OH

CH

CH

CH2OH

Pentozele, deşi foarte răspândite în natură, se găsesc în stare liberă în cantităŃi relativ mici. În cantităŃi mai mari intră în alcătuirea unor poliglucide, glicozide, esteri ai acidului fosforic, acizilor nucleici fiind în structura nucleotidelor, unor enzime şi vitamine. Din punct de vedere biochimic, cele mai importante aldopentoze sunt: D-riboza, D-xiloza, L-arabinoza, iar dintre cetopentoze: D-ribuloza şi D-xiluloza. OH

OH CHO

CH

OH

OH

CH

CH

CHO

CH2OH

D-riboza OH CHO

CH

CH

OH

D-xiloza

CH

CH

OH

OH

CH2OH

L-arabinoza

OH CH

CH

CH2OH

CHO

OH

OH

CH

C

CH2OH

CH2OH

D-apioza

Arabinoza şi xiloza intră în alcătuirea pereŃilor celulari, riboza este utilizată în sinteza acizilor nucleici, iar ribuloza este acceptorul dioxidului de carbon în procesul de fotosinteză.

____________________________________________________________________________________________________________________________________________

17

.

Biochimie horticolă

Hexozele (C6H12O6) sunt cele mai importante glucide fiind răspândite în stare liberă, cât şi sub formă de esteri, glicozide, oligo- şi poliglucide şi numeroşi alŃi derivaŃi. Ele sunt utilizate în procesele de biosinteză a celorlalte glucide, iar compuşii intermediari ai metabolismului acestora sunt folosiŃi în procesele de sinteză a tuturor compuşilor chimici existenŃi din plante. Cele mai răspândite hexoze sunt: D-glucoza, D-manoza, D-galactoza, Lrhamnoza şi D-fructoza. Dintre acestea, D-glucoza şi D-fructoza sunt larg răspândite în legume şi fructe, în care se găsesc în proporŃie de până la 7,3 % (tabelul nr. 1). Glucoza este produsă în procesul de fotosinteză şi reprezintă principala sursă de energie biochimică în corpul plantelor. Prin glicoliză şi prin reacŃiile ciclului acidului citric în procesul de respiraŃie aerobă, glucoza este oxidată pentru a forma dioxid de carbon şi apă, rezultând energie biochimică, în principal sub formă de ATP. În absenŃa oxigenului glucoza intră în procesul de fermentaŃie din care rezultă alcool etilic şi dioxid de carbon, conform reacŃiei de mai jos:

În cazul plantelor zaharofile, aceste substanŃe reprezintă principalele substanŃe de rezervă, care se acumulează în vacuolele celulelor. Glucoza este esenŃială în producerea proteinelor şi în metabolismul lipidelor. De asemenea, la cele mai multe plante este un precursor pentru vitamina C (acid ascorbic), a oligozaharidelor (zaharoza) şi a polizaharidelor (amidonul, celuloza, substanŃele pectice). Heptozele sunt prezente în legume şi fructe în principal sub forma esterului difosforic al D-sedoheptulozei, care are un rol important în regenerarea ribulozei, în procesul de fotosinteză. În fructele de avocado, au fost identificate şi alte heptoze, cum sunt Dmanoheptuloza şi D-glicero-D-galactoheptuloza. Atât în legume cât şi în fructe s-au determinat glucide cu 8 şi 9 atomi de carbon cum sunt octozele: D-glicero-D-manooctuloza, D-glicero-L-galactooctuloza şi D-glicero-Dtalooctuloza şi nonozele: D-eritro-L-glucononuloza, al căror rol fiziologic este mai puŃin precizat. Tabelul nr. 1. Principalele monoglucide din legume şi fructe Denumirea 1

Formula 2 OH

Hexoze CHO

D-Glucoza

CH

Răspândirea 3

OH CH

H C

CH2OH

Legume şi fructe

CH2OH

____________________________________________________________________________________________________________________________________________

18

.

Biochimie horticolă

D-Manoza

CHO

CH

CH

OH

OH

OH

OH

CH

CH

L-Rhamnoza

D-Fructoza

CH

CHO

CHO

CH

CH

OH

OH

OH

OH

CH

CH

H2COH

CH2OH

OH

OH

D-Galactoza

mere, pere, piersici, portocale

CO

CH

CH

CH

OH

OH

CH

struguri, piersici, mere, pere, masline

CH2OH

în legume si fructe sub forma de glicozide, mucilagii, gume

CH3

OH

OH

CH

CH

CH2OH

legume si fructe

OH

Heptoze H2COH

CO

CH

CH

OH

OH

CH2

CH

CH2OH

avocado

D-Manoheptuloza OH

D-Sedoheptuloza

H2COH

CO

CH

OH OH OH

OH

CH

CH

CH

legume si fructe

CH2OH

OH

D-Glicero-Dgalactoheptuloza

OH CHO

CH

CH

CH

OH

OH

Octoze D-Glicero-Dmanooctuloza D-Glicero-Dtalooctuloza D-Glicero-Lgalactooctuloza

H2COH

H2COH

HOCH2

CO

CO

CO

CH

H C

OH

OH

OH

OH

CH

CH

OH

OH

OH

CH

CH

CH

CH

CH2 + CH2

OH

OH OH

OH OH

CH

CH

H C OH

Nonoze D-Eritro-LGlucononuloza

OH

OH

CH

CH

CO

CH OH

legume si fructe

CH2OH

avocado

avocado

CH2OH

OH CH

CH

avocado

CH2OH

OH OH

HOCH2

CH2OH

CH

CH

CH

OH

OH

OH

OH

CH

CH

CH2OH

avocado

Pe lângă glucide, în legume şi fructe se găsesc în stare liberă şi derivaŃi ai acestora sub formă de alcooli zaharidici (polioli), acizi zaharidici, deoximonozaharide şi esteri.

____________________________________________________________________________________________________________________________________________

19

.

Biochimie horticolă

ProprietăŃi chimice a) reducerea. Prin reducerea grupării carbonilice monozaharidele fixează 2 atomi de H formând poliolii (alcoolii zaharidici) corespunzători. Poliolii (alcoolii zaharidici) sunt compuşi hidroxilaŃi cu mai mult de două grupări – OH în moleculă şi care din punct de vedere fiziologic, pot îndeplini rolul de glucide de transport, datorită posibilităŃii lor de transformare enzimatică în glucide. Cei mai importanŃi reprezentanŃi sunt: D-glicerolul, D-ribitolul, D-manitolul şi mezoinozitolul. D-Glicerolul, un triol aciclic, reprezintă principala componentă a gliceridelor, alături de acizii graşi. D-Ribitolul este întâlnit sub formă de derivaŃi cum sunt: riboflavina şi nucleotidele flavinice. D-Manitolul este un hexitol aciclic. D-Sorbitolul rezultă din reducerea glucozei şi reprezintă principala formă de transport al glucidelor în unele specii pomicole. De asemenea, a fost identificat în mai multe specii de fructe, conŃinutul acestora fiind de 0,03 % la căpşuni, 0,58 % la mere, 1,40 % la pere, 0,31 % la piersici şi 3,10 % la prune (Hulme, 1970). Mezoinozitolul este un hexapoliol ciclic prezent în unele specii de fructe, conŃinutul acestuia în 100 g suc ajungând la 170 mg la portocale, 135 mg la tangerine, 112 g la grapefruit, 57 mg la lămâi şi 24 mg la mere (Hulme, 1970). Din punct de vedere fiziologic, mezoinozitolul are rolul unui stimulator de creştere, activează biosinteza proteinelor şi a acidului ascorbic şi este considerat ca un precursor în sinteza unor oligo- şi poliglucide. Esterii fosforici ai acestui ciclitol, reprezintă pentru legume şi fructe o importantă rezervă de acid fosforic. Polialcooli Formula

Denumirea HOCH2

D-Glicerol D-Ribitol

D-Manitol

HOCH2

HOCH2

CHOH

CH2OH

CH

CH

CH

OH

OH

OH

CH

CH

OH

OH

CH2OH

OH

OH

CH

CH

CH2OH

Răspândirea masline mature legume si fructe

ananas,ceapa, morcovi

____________________________________________________________________________________________________________________________________________

20

.

Biochimie horticolă OH

D-Sorbitol

HOCH2

CH

CH

OH

OH

CH

CH

CH2OH

OH

D-Perseitol

HOCH2

CH

CH

OH

OH

OH

OH

CH

CH

HOCH2

CH

CH2OH

avocado

CH2OH

avocado

OH

OH

D-Eritrozo-DGalacto-octitol

CH

CH

CH

OH

OH

OH

OH

OH

OH

CH

CH

CH

OH

caise, piersici, mere pere, portocale, grapefruit, lamai

OH

Mezoinozitol

mere, pere, cirese, prune, caise, piersici, gutui, struguri, curmale, avocado

OH OH OH

b) oxidarea Acizii zaharidici rezultaŃi din oxidarea glucidelor au fost identificaŃi frecvent în legume şi fructe, în special drept componente ale unor poliglucide. Dintre cei mai importanŃi acizi identificaŃi se menŃionează: acidul D-gluconic, acidul D-galacturonic şi acidul mucic. Acizi uronici Formula

Denumirea

Acid-Dgalacturonic

CHO

OH

OH

CH

CH

OH

Acid-Dglucuronic

CHO

CH

CH

CH

CH

COOH

OH

OH

OH

OH

CH

CH

COOH

Răspândirea tomate, morcovi, cartofi, mere, pere, piersici, capsuni capsuni, struguri, mere, prune

OH OH

Acid mucic

HOOC

OH

CH

H C

CH

OH

OH

OH

Acid zaharic

HOOC

CH

CH

OH CH

CH

COOH

OH CH

COOH

pere, caise, piersici, mure

pere, caise, piersici, ananas

OH

____________________________________________________________________________________________________________________________________________

21

.

Biochimie horticolă OH

Acid-D-gluconic

HOOC

CH

CH

OH

OH

CH

CH

CH2OH

mere, struguri

OH

Datorită prezenŃei grupărilor hidroxilice, glucidele se pot esterifica cu acizii organici sau anorganici. c) esterificarea Esterii mai importanŃi din legume şi fructe sunt cei formaŃi cu acidul fosforic. Aceşti esteri fosforici ai glucidelor reprezintă forma activă a monoglucidelor ce intră în procesele metabolice şi au o largă răspândire, chiar dacă, în unele cazuri, concentraŃia lor este foarte redusă. Astfel, în fructe se găsesc în cantitate mai mare 6-fosfo-D-glucoza, 6-fosfo-D-fructoza şi 1,6-difosfo-D-fructoza. Esterul hexafosforic al mezoinozitolului este prezent în plantele leguminoase ca sare dublă de calciu şi magneziu, cunoscută sub denumirea de fitină. Esterii glucidelor cu acizii galic şi n-galoil galic intră în alcătuirea taninurilor, care se acumulează în vacuolele celulelor şi au rol în realizarea gustului astringent al produselor horticole. Măslinele conŃin oleuropeină, o substanŃă cu gust amar, care din punct de vedere chimic este diesterul glucozei cu acidul protocatechic şi acidul oleuropeinic (2,6-dimetil-1hidroximetil-1-carboxi-ciclohexen-2). Produsele horticole conŃin şi alŃi derivaŃi ai glucidelor cum sunt aminoglucidele. Un exemplu îl constituie D-glucozamina ce intră în alcătuirea sfingofosfatidelor şi Dgalactozamina identificate în stare liberă în struguri. Esteri Formula

Denumirea CHO

Aldehida D-3fosfoglicerica 4-Fosfo-Deritroza

CHO

CH

OH

OH OH

CH

CH

5-Fosfo-Dribuloza HOCH2

1,5 Difosfo-Dribuloza 1 Fosfo-Dglucoza (esterul Cori)

CH2

CO

H2O3PO

CH2

CO

OH

CH

CH

CH

OH H2O3PO

CH2

CH

CH

OPO3H2

CH2

OH

OH

Răspândirea

OPO3H2

legume si fructe legume si fructe

CH2

OPO3H3

OH CH

legume si fructe

CH2

OH

OH

CH

CH

OPO3H2

CH2OH

legume si fructe legume si fructe

OH

____________________________________________________________________________________________________________________________________________

22

.

Biochimie horticolă

6 Fosfo-Dglucoza (esterul Robinson)

OH CHO

CH

CH

OH

OH

CH

CH

CH2

OPO3H2

legume si fructe

OPO3H2

legume si fructe

OH

1,6-Difosfo-Dfructoza (esterul Harden Young)

H2O3PO

CH2

CO

CH

OH

OH

CH

CH

CH2

OH

6 Fosfo-Dfructoza (esterul Neuberg)

HOCH2

CO

CH

OH

OH

CH

CH

CH2

legume si fructe

OPO3H2

OH

1,7-Difosfo-Dsedoheptuloza

H2O3PO

CH2

CO

CH

OH

OH

OH

CH

CH

CH

O

P(OH)3

CH2

OPO3H2

legume si fructe

OH O (HO)3P

Acidul fitinic (esterul hexafosforic al mezoinozitului)

O

P(OH)3 O

(OH)3 P

(HO)3P

O

O

O

O

O

P(OH)3

in legume si fructe, ca sare de Ca si Na (fitina)

O

2.2.1. Oligoglucide Cele mai răspândite şi importante oligoglucide din fructe şi legume sunt cele formate din hexoze. Cel mai important reprezentant îl reprezintă zaharoza, diglucid cu caracter nereducător, C12H22O11, formată din D-glucoză şi D-fructoză, intrând în diverse procese biochimice ce se desfăşoară în produsele horticole, pe parcursul creşterii, dezvoltării sau maturării acestora. Aceasta reprezintă principala formă de transport a glucidelor produse în procesul de fotosinteză spre toate organele plantelor.

În mod natural zaharoza este sintetizată doar în plante din precursorii glucozo 1-fosfat şi fructozo 6-fosfat. La unele specii (ananas, caise, pepeni, banane) reprezintă principalul glucid prezent în fructe, la celelalte specii coexistă împreună cu glucoza şi fructoza în diferite proporŃii (tabel 4). Este cunoscută sub denumirea comercială de zahăr, fiind obŃinută prin extracŃie din trestia de zahăr (Saccharum spp.) şi sfecla de zahăr (Beta vulgaris), specii la care ____________________________________________________________________________________________________________________________________________

23

.

Biochimie horticolă

reprezintă între 12% şi 20% din cantitatea totală de substanŃă uscată. În perioada 2001-2002, producŃia mondială de zahăr a fost de 134,1 milioane de tone. Se obŃine prin extracŃia materialului vegetal mărunŃit în apă firbinte, concentrarea extractului şi formarea siropului, din care este cristalizată zaharoza. Maltoza, C12H22O11, este un diglucid reducător format din condensarea a două molecule de glucoză şi se găseşte în cantităŃi mari în struguri şi banane, reprezentând până la 0,5 % din partea edibilă. Este produsul de hidroliză al amidonului în prezenŃa amilazelor (tabel 2). În struguri s-a mai identificat în cantitate mică melobioza, iar în fructele tropicale lactoza. În afară de diglucidele menŃionate, în legume şi fructe s-au mai identificat unele tri- şi tetraglucide, cum sunt: rafinoza care se găseşte în struguri sau prune şi stahioza, în struguri, fasole şi linte. Alte oligoglucide ca: rutinoza şi genŃiobioza reprezintă componente glucidice ale glucozidelor: hesperedină, rutină şi amigdalină prezente în portocale, migdale, lămâi etc. La nivelul peretelui celular s-au identificat α-1,4-oligogalacturonide cu rol de inductori sau elicitori ai biosintezei unor antibiotice şi ai ligninei, în apropierea locului de pătrundere a agentului patogen sau de rănire şi, totodată, determină biosinteza unor inhibitori ai proteinazelor, la nivelul întregii plante (Dinischiotu şi Costache, 1998). Tabelul nr. 2. Principalele oligoglucide din legume şi fructe OH

Diglucide

CH2

OH O

O

fructe

CH3

Rutinoza

HO

OH

HO OH

O

OH H2COH

H2COH O

Maltoza

O

OH

OH

struguri, banane

OH

O

OH OH

OH

H2COH

CH2 O

O

O

OH

GenŃiobioza HO

HO OH

OH OH

OH OH

H2COH O

Celobioza

in fructe, ca glicozida

O

legume si fructe

OH

OH OH

O OH

OH

H2COH

____________________________________________________________________________________________________________________________________________

24

.

Biochimie horticolă H2COH

H2COH O

OH

Lactoza

O O

OH

fructe tropicale

OH OH

OH

OH

H2COH

CH2 O

OH

Melibioza

O O

OH

struguri

OH OH

OH

OH

OH

e

Triglucide

CH2OH O

OH

O

H3 C

O

OH OH

OH

cartofi

OH

O

OH OH

OH

Chacotrioza

O CH3 O

CH2OH O

CH2OH O

OH

OH

OH OH

Solatrioza

tomate

O

OH

OH OH

OH O

CH2OH

CH2 O

OH

O

CH2OH

O

Rafinoza

OH

OH

CH2 O

CH2 O

OH

O

OH

OH

OH

o HO

OH O

OH

Stahioza

CH2OH

O

O OH

CH2OH OH

OH

CH2OH OH

struguri, prune

HO O

OH

Tetraglucide

o

OH

OH

fasole, linte, soia, struguri

CH2OH OH

Tabelul nr. 4. Valoarea conŃinutului principalelor glucide din unele specii de legume şi fructe (% parte edibilă) (După Souci ş.a., 1981) Specia Glucoză Fructoză Zaharoză Specia Glucoză Fructoză Zaharoză Ardei 1,41 1,26 0,12 Afine 2,38 3,28 0,12 CastraveŃi 0,88 1,00 0,05 Banane 3,80 3,80 10,60 Ceapă 2,24 1,83 1,91 Caise 1,73 0,87 5,12 Conopidă 1,16 1,05 0,23 Căpşuni 2,00 2,10 1,10 Fasole verde 0,99 1,34 0,43 Cireşe 6,10 5,50 0,22 Gulii 1,40 1,23 1,29 Coacăze negre 2,69 3,57 0,73 Mazăre verde 0,06 0,05 1,15 Coacăze roşii 2,27 2,67 2,67 Morcovi 1,61 1,45 1,76 Mere 1,73 5,91 2,58 Păstârnac 0,18 0,24 2,98 Pere 2,30 2,50 3,50 Pepeni 1,60 1,30 9,50 Piersici 1,16 1,27 5,38 Ridichi 1,33 0,73 0,11 Portocale 2,30 2,50 3,50 Salată 0,36 0,45 0,09 Prune 2,74 2,06 2,78 Spanac 0,13 0,12 0,21 Struguri 7,28 7,33 0,42 Tomate 0,90 1,42 0,01 Varză albă 1,60 2,02 0,10 Varză roşie 1,20 1,67 0,29 Vinete 1,31 1,53 0,25 ____________________________________________________________________________________________________________________________________________

25

.

Biochimie horticolă

2.2.3. Poliglucide Homopoliglucide. Pentozanii dintre care se evidenŃiază arabanii, ce intră în alcătuirea pereŃilor celulari ai produselor horticole, făcând legătura între moleculele de celuloză, hemiceluloze şi pectine. Hexozanii, din care fac parte mananii, galactanii, fructanii şi glucanii au o largă răspândire în produsele horticole, intrând în compoziŃia pereŃilor celulari. M a n a n i i au o structură unitară şi sunt alcătuiŃi din unităŃi alcătuite din β-manoză. G a l a c t a n i i au în constituŃia lor molecule de D-galactoză şi L-galactoză, monoglucide care se găsesc foarte rar asociate cu alte glucide. F r u c t a n i i sunt alcătuiŃi din molecule de D-fructoză, unii având rol de glucide de rezervă. Astfel, în andive se găseşte inulina, iar în sparanghel asparagozina. G l u c a n i i sunt poliglucide formate din molecule de D-glucoză, cei mai importanŃi fiind amidonul şi celuloza.

Amidonul reprezintă principala formă de depozitare a glucidelor în plante, în amiloplaste, sub formă de granule cu forme şi mărimi caracteristice fiecărei specii. Este format din amiloză şi amilopectină. Amiloza este componenta liniară alcătuită din molecule de D-glucoză legate 1,4-αglicozidic, iar amilopectina este formată din molecule de D-glucoză legate 1,4 -α-glicozidic alcătuind

____________________________________________________________________________________________________________________________________________

26

.

Biochimie horticolă

lanŃuri liniare, de care se leagă prin legături α-1,6-glicozidice ramificaŃii alcătuite din moleculele aceleiaşi substanŃe. Amidonul reprezintă cea mai importantă substanŃă de rezervă din plante, care se acumulează în organele de rezervă: rădăcini, tuberculi, rizomi, seminŃe, fructe etc.(tabelul nr. 5). În timpul intrării în vegetaŃie amidonul este hidrolizat enzimatic, punând la dispoziŃia organelor vegetative α-D-glucoza necesară desfăşurării respiraŃiei şi în procesul de creştere. Tabelul 5. ConŃinutul de amidon din legume şi fructe (după Souci ş.a., 1981). Specia

% 16,8 0,2 3,1 0,1 0,1

Cartofi Conopidă Fasole verde Spanac Tomate

Specia

% 2,7 27,3 0,6 13,5

Banane Castane Mere Nuci

Celuloza este un poliglucid care intră în structura pereŃilor celulari. Macromoleculele filiforme de celuloză sunt formate din molecule de D-glucoză legate prin legături 1,4-α-glicozidice. De obicei este însoŃită şi de hemiceluloze şi substanŃe pectice. În legume şi fructe aceste substanŃe se găsesc în cantităŃi mici (tabelul nr. 6). Heteropoliglucide. SubstanŃele pectice constituie componentele principale ale lamelei mediane dintre pereŃii celulari. Acestea sunt formate din molecule de acid α-D-galacturonic legate prin legături 1,4-α-glicozidice, la care sunt asociate oligozaharide liniare sau ramificate formate din ca Dgalactoză, L-arabinoză, D-xiloză. Grupările carboxilice ale lanŃului sunt esterificate cu alcool metilic. Această structură poligalacturonică este proprie tuturor substanŃelor pectice, indiferent de provenienŃă, diferenŃele dintre ele fiind determinate de gradul de esterificare al grupărilor carboxilice, de caracteristicele substanŃelor însoŃitoare etc. În grupa acestor substanŃe intră protopectina care conferă insolubilitatea lamelei mediane şi fermitatea caracteristică fructelor şi legumelor. Este insolubilă în apă şi prin hidroliză acidă, alcalină sau enzimatică se formează acizi pectinici şi pectici. OH

COOH O

O

O

OH O

O OH

OH OH

COOH

O

O COOH

O OH

OH OH

O COOH

Structura acidului poligalacturonic Acizii pectinici sunt constituiŃi din acizi poligalacturonici, cu un grad mai mare de esterificare a grupărilor carboxilice şi dau cu apa soluŃii coloidale. Solubilitatea lor scade odată cu creşterea numărului de grupări metoxi. Termenul general de substanŃe pectice se foloseşte pentru acizii pectinici solubili în apă, cu un conŃinut de metilester şi un grad de neutralizare variabil, capabili să formeze geluri cu soluŃiile de zaharoză şi cu ionii de calciu, la un pH de 2,7 – 3,2. În cazul pectinelor slab metoxilate, gelul rezultă din formarea unei legături cu calciul, între două legături carboxilice a două lanŃuri diferite, situate în

____________________________________________________________________________________________________________________________________________

27

.

Biochimie horticolă

contact unul cu altul. În cazul unui grad mare de metoxilare, legăturile dintre pectine implică formarea de legături de hidrogen şi interacŃiuni hidrofobe între molecule (Thakur şi colab., 1997). ConŃinutul de substanŃe pectice al legumelor şi fructelor variază în medie între 0,2% – 1,4% (tabelul nr. 6). Tabelul nr. 6. ConŃinutul în celuloză şi substanŃe pectice din unele legume şi fructe După Gherghi ş.a., 1973 Specia Cartofi CastraveŃi Ceapă Conopidă Fasole verde Morcovi Ridichi Sparanghel Salată Spanac Tomate łelină Usturoi Varză albă

Celuloză % 0,89 0,39 0,86 1,12 1,45 0,95

SubstanŃe pectice % 0,42 0,20 0,90 1,40 1,30

0,70 0,40 0,76 0,74 0,70 1,40 0,70 0,97

1,05

Specia Agrişe Banane Caise Căpşuni Cireşe Coacăze negre Coacăze roşii Mere Mure Pere Prune Piersici Struguri Vişine Zmeură

Celuloză % 1,19 2,37 0,33 1,38 0,88 0,76 0,67 0,23

SubstanŃe pectice % 0,70 0,60 0,56 0,40 0,36 0,90 0,43 0,78 0,70 0,53 0,76 0,54 0,28 0,20 0,40

Gumele vegetale sunt exudate vegetale care apar ca urmare a rănirii Ńesuturilor, care sunt formate din pentoze, hexoze şi acizi uronici, proporŃia acestora variind mult de la o specie la alta. PrezenŃa gumelor vegetale a fost semnalată la cireşe, migdale, prune, grapefruit, portocale, piersici etc. Hemicelulozele sunt substanŃe neomogene care însoŃesc celuloza în structura pereŃilor celulari şi sunt formate dintr-un amestec complex de poliglucide. Cea mai mare parte a hemicelulozelor este constituită din xilani, până la 30 %, alături de manani, galactani, arabani şi pectine. Hemicelulozele uşor hidrolizabile constituie poliglucide de rezervă, iar cele greu hidrolizabile au rolul de substanŃe plastice. Caracterizarea legumelor şi fructelor, din punct de vedere al conŃinutului lor în glucide, se face prin aprecierea proporŃiei de glucide totale (mono- şi diglucide) din substanŃa proaspătă edibilă. Valoric, în funcŃie de specie, conŃinutul în glucide totale variază între 2,2% - 28,0 % în cazul fructelor şi între 1,2% - 27,5 % în cazul legumelor (tabelul nr. 7). În cadrul aceleiaşi specii, conŃinutul în glucide diferă în funcŃie de soi. Astfel, la soiurile de mere Golden Delicious, Renet de Canada, Jonathan, CreŃesc, Frumos de Boskoop conŃinutul de glucide totale depăşeşte 10 %, în timp, ce la soiul Clar alb, Şovari comun, Boiken, Renet Landsberg acesta este mai mic de 9 %. S-au dovedit a fi bogate în glucide totale (peste 10 %) soiurile de pere Passe Crassane, Contesa de Paris, Cure, Buna Luiza de Avranches etc. De asemenea sunt bogate în glucide totale (peste 11 %) soiurile de caise: Luizet, Reliable şi Pasviot, soiurile de piersici: Flacăra, Elberta şi Frumos de Băneasa şi soiurile de cireşe: Pietroase Esperen, Hedelfinger, Germersdorf etc. În cazul căpşunilor, cel mai ridicat conŃinut de glucide totale (peste 7 %) s-a determinat la soiurile: Fairfax, ____________________________________________________________________________________________________________________________________________

28

.

Biochimie horticolă

Pocahontas, Kovaliova 100 şi Regina. Un conŃinut de peste 5% glucide totale s-a determinat la soiurile de zmeură: Golden Queen, Loyd George şi Deutschland şi la soiurile de mure Wilson timpuriu. Tabelul nr. 7. ConŃinutul de glucide totale din principalele specii de legume şi fructe După Souci ş.a. (1975), Gherghi ş.a. (1979) Specia Ardei Cartofi CastraveŃi Ceapă Conopidă Fasole păstăi Gulii Mazăre Morcov Păstârnac Pătrunjel Pepeni Praz Sfeclă roşie Spanac Sparanghel Tomate łelină Usturoi Varză albă Varză roşie Vinete

Media % 3,0 1,2 1,9 8,4 2,5 2,0 4,2 3,6 6,9 11,2 9,5 7,0 6,3 5,6 3,1 2,3 3,8 3,6 25,0 4,5 4,0 2,5

Limite % 1,5 – 6,6 0,4 – 3,4 1,2 – 3,4 4,7 – 10,2 1,7 – 4,8 1,9 – 2,6 3,0 – 5,7 1,3 – 5,9 5,8 – 8,2 8,6 – 19,5 8,5 – 15,4 4,5 – 11,3 4,5 – 9,8 2,3 – 8,9 2,4 – 3,7 2,0 – 3,2 1,8 – 4,3 0,9 – 4,6 20,6 – 30,9 2,9 – 5,8 3,1 – 5,2 0,7 – 5,4

Specia Afine Agrişe Banane Caise Castane Căpşuni Cireşe Coacăze negre Coacăze roşii Grapefruit Gutui Lămâi Mere Mure Nuci Pere Piersice Portocale Prune Struguri Vişine Zmeură

Media % 9,2 9,4 18,0 10,1 28,0 5,0 11,8 7,6 5,1 6,9 10,1 2,2 11,6 5,1 12,5 11,8 10,5 8,3 12,3 16,3 10,2 4,5

Limite % 6,2 – 11,9 8,5 – 10,0 11,4 – 27,0 9,6 – 13,8 26,0 – 29,0 6,4 – 15,3 6,4 – 15,3 6,9 – 7,9 4,0 – 6,3 6,0 – 8,0 6,5 – 12,9 0,9 – 3,6 6,0 – 16,7 3,9 – 7,3 7,8 – 16,2 6,5 – 14,9 6,3 – 12,4 5,5 – 10,0 7,2 – 14,9 5,2 – 19,4 6,0 – 14,0 3,0 – 9,3

Dintre legumele bogate în glucide totale menŃionăm soiurile de varză Fornax şi Falcone şi cele de tomate de seră Aurora şi Export II (peste 3 %), soiul Ardei lung (peste 4 %), soiul de morcov Chantenay (peste 7 %) şi ceapa din soiul de Macău (10 %). ConŃinutul în glucide totale al legumelor şi fructelor variază şi în funcŃie de condiŃiile agropedoclimatice. Astfel, din cercetările efectuate de Gherghi ş.a. (2001) asupra mai multor soiuri de măr recoltate din 10 bazine pomicole, a rezultat că fructele provenite din zonele mai călduroase şi cu precipitaŃii mai reduse, ca şi cele provenite de pe soluri nisipoase sau din plantaŃii în care solul s-a menŃinut ca ogor negru, au un conŃinut mai mare de glucide totale.

Autoevaluare 1. DefiniŃia şi clasificarea glucidelor. 2. DefiniŃi şi clasificaŃi monoglucidele. Exemple. 3. ConfiguraŃia spaŃială, izomeria şi reprezentarea glucidelor. 4. ProprietăŃi fizice şi chimice ale monoglucidelor. 5. DefiniŃi şi clasificaŃi oligoglucidele. Exemple. 6. DefiniŃi şi clasificaŃi poliglucidele. Exemple. 7. PrecizaŃi conŃinutul de glucoză, fructoză şi zaharoză la 5 specii de legume şi 5 specii de fructe prezentate în tabelul 5. 8. Factori care influenŃează conŃinutul de glucide la legume şi fructe. ____________________________________________________________________________________________________________________________________________

29

.

Biochimie horticolă

Bibliografie selectivă 1. Bodea, C. 1964. Tratat de biochimie vegetală. Partea I. Fitochimie. Vol.I. Ed Academiei RPR. 2. Burnea, I., Popescu, I., NeamŃu, G., Stancu, E., Lazăr, Şt. 1977. Chimie şi biochimie vegetală. EDP Bucureşti. 3. Burzo, I., Voican, V., Dobrescu, A., Delian, E., Bădulescu, L. 1999. Curs de Fiziologia plantelor. AMC USAMV Bucureşti. 4. Gherghi, A., Burzo, I., Bibicu, M., Mărgineanu, L., Bădulescu, L. 2001. Biochimia şi fiziologia legumelor şi fructelor. Ed. II-a revăzută şi completată. Ed. Academiei Române. 5. Ionescu, M. 1970. Biochimia agricolă. Ed. Ceres Bucureşti. 6. Lehninger, A.L. 1987. Biochimie. Vol.1. Ed. Tehnică Bucureşti.

____________________________________________________________________________________________________________________________________________

30

.

Biochimie horticolă

CAPITOLUL 3. LIPIDE Cuvinte cheie: lipide, glicerol, acizi graşi, proprietăŃi fizice, proprietăŃi chimice, lipide complexe Rezumat Lipidele, cunoscute şi sub denumirea de grăsimi, reprezintă esteri ai acizilor graşi cu diferiŃi alcooli, cel mai adesea glicerolul. Se clasifică în fucnŃie de structură în lipide simple şi complexe, iar în funcŃie de rolul lor în organismul vegetal în lipide de rezervă şi lipide structurale (de constituŃie). Acizii graşi sunt acizi carboxilici cu un număr mare de atomi de C (C4-C24), fiind saturaŃi sau nesaturaŃi, în funcŃie de numărul de legături duble din catenă. Acizii graşi saturaŃi cei mai răspândiŃi în natură sunt: acidul caprinic C10, acidul miristic C14, acidul palmitic C15, acidul arahic C20. Acizii graşi nesaturaŃi pot avea o dublă legătură (ex. acidul oleic C18), două duble legături (acidul linoleic C18), cu trei duble legături (acidul linolenic C18), cu patru duble legături (acidul arachidonic C20). Alcoolii reprezintă al doilea component al lipidelor naturale. Alcoolii aciclici monohidroxilici corespunzători acizilor graşi superiori intră în structura cerurilor (ex. alcoolul cetilic corespunzator acidului palmitic, alcoolul stearilic corescpunzator acidului stearic). Glicerolul sau glicerina este alcoolul trihidroxilic care formează gliceridele şi unele lipide complexe. Fitosterolii (stigmasterolul, sitosterolul) sunt alcooli superiori cu structură tetraciclică care au 29 de atomi de carbon sunt prezenŃi îndeosebi în seminŃele plantelor oleaginoase şi leguminoase. Cerurile vegetale cu rol de protecŃie a organelor vegetale aeriene sunt formate din ceride (esteri ai acizilor graşi cu alcooli superiori) hidrocarburi, alcooli şi acizi superiori, răşini, etc. Lipidele complexe sunt esteri ai acizilor graşi la formarea cărora participă pe lângă alcool şi acizi graşi, acidul fosforic, aminoalcooli, aminoacizi, inozitol sau glucide. Fosfolipidele reprezintă lipidele din structura membranelor celulare, fiind cele mai răspândite lipide complexe din plante. 3.1. NoŃiuni introductive Lipidele constituie o grupă de compuşi organici naturali, răspândiŃi în toate organismele vegetale, care au caracter hidrofob şi sunt insolubile în mediu apos, dar solubile în solvenŃi organici (eter, benzen, cloroform, etc.). Se acumulează mai ales în seminŃele plantelor constituind rezerve nutritive şi energetice şi intră în componenŃa tuturor celulelor, fiind componentele esenŃiale ale membranelor celulare. Din punct de vedere chimic, lipidele sunt esteri ai acizilor graşi saturaŃi sau nesaturaŃi cu diferiŃi alcooli, cel mai adesea glicerolul (numite şi lipide saponificabile). În structura anumitor lipide se găsesc şi alte substanŃe cum ar fi aminoalcooli şi acidul fosforic. Analiza chimică elementală arată prezenŃa C, H, O, iar la unele lipide mai există N, P sau S.

____________________________________________________________________________________________________________________________________________

31

.

Biochimie horticolă

Din punct de vedere biochimic, lipidele îndeplinesc următoarele funcŃii în organismele vegetale: •

Au rol plastic, intrând în structura membranelor plasmatice şi ale tuturor organitelor celulare, împreună cu proteinele asigurând funcŃionalitatea acestora;

•

Au rol energetic, fiind întâlnite ca substanŃe de rezervă în seminŃele plantelor oleaginoase, prin hidroliza lor eliberându-se o cantitate mare de energie biochimică;

•

Constituie învelişul protector al organelor aeriene ale plantelor, sub formă de cuticulă sau ceară, care împiedică pierderea excesivă a apei din organismele vegetale;

•

Participă direct sau indirect la diferite procese metabolice ca activatori ai unor enzime, componente ale sistemului de transport al electronilor în cloroplaste şi mitocondrii, etc;

•

Reprezintă precursori importanŃi pentru sinteza unor vitamine, hormoni, etc.

Clasificarea lipidelor în funcŃie de structură şi compoziŃie este prezentată în scema de mai jos:

ProprietăŃile lipidelor depind în mare măsură de natura acizilor graşi şi a alcoolului din compoziŃie. 3.2. Acizii graşi Acizii graşi sunt acizi carboxilici cu următoarele proprietăŃi: •

au număr mare de atomi de carbon (între 4 şi 32);

•

au număr par de atomi de carbon;

•

au catenă liniară, fără ramificaŃii;

•

sunt monocarboxilici;

____________________________________________________________________________________________________________________________________________

32

.

Biochimie horticolă •

pot fi saturaŃi sau nesaturaŃi. Acizi graşi saturaŃi şi acizi graşi nesaturaŃi Acizii graşi saturaŃi sunt acizii graşi care nu prezintă duble legături, având formula

generală CnH2nO2 sau CH3-(CH2)n-COOH în care n este un număr par şi are valori între 2 şi 30. De aceea simbolul lor prezintă, pe lângă numărul atomilor de carbon, cifra 0. aşa cum se poate observa mai jos. CH3-CH2-CH2-COOH (4:0) acidul butiric - C4 CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-COOH (6:0) acidul capronic - C6 CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-COOH (16:0) acidul palmitic - C16 Reprezentarea simplificată a acizilor graşi se face printr-o linie în zig-zag ca în figura de mai jos:

Principalii acizi graşi saturaŃi sunt prezentaŃi în tabelul de mai jos.

DENUMIRE

Numărul atomilor de C

SIMBOL

CONSISTENłA (stare fizică la temperatura obişnuită)

Acid butiric Acid capronic

C4 C6

(4:0) (6:0)

- lichidă - lichidă

Acid caprilic

C8

(8:0)

- lichidă

Acid caprinic Acid lauric

C10 C12

(10:0) (12:0)

- lichidă - lichidă

Acid miristic

C14

(14:0)

- lichidă

Acid palmitic

C16

(16:0)

- solidă

Răspândire

- unt de vacă - unt de capră - unt - ulei de cocos - unt de cocos - unt de laur - majoritatea lipidelor naturale - cocos - ulei de palmier - ulei de bumbac

____________________________________________________________________________________________________________________________________________

33

.

Biochimie horticolă

Acid stearic

C18

(18:0)

- solidă

Acid arahic

C20

(20:0)

- solidă

Acid behenic

C22

(22:0)

- solidă

Acid lignoceric

C24

(24:0)

- solidă

- majoritatea lipidelor naturale - seu - untură - slănină - carne grasă - margarină - cacao - ciocolată - ulei de arahide - boabe de muştar - boabe de rapiŃă - soia - arahide - ulei de arahide, sfingomieline şi cerebrozide

Acizii graşi nesaturaŃi sunt acizii graşi cu una sau mai multe duble legături, majoritatea de consistenŃă uleioasă la tepmperatură obişnuită, cu excepŃia acidului arachidonic C20. Aceştia au catena lungă, fiind formaŃi din 18 sau mai mulŃi atomi de carbon, cu excepŃia unor acizi mononesaturaŃi (lauroleic C12, miristioleic C14, palmitoleic C16) mai rar întâlniŃi în natură, care au catena mai scurtă. Dintre acizii graşi nesaturaŃi, compuşii care posedă o singură dublă legătură, poartă numele de acizi graşi mononesaturaŃi, iar cei cu mai multe astfel de legături duble, se cheamă acizi graşi polinesaturaŃi. Cel mai cunoscut acid gras mononesaturat este acidul oleic care se găseşte în lipide în proporŃie de până la 80% din totalul acizilor prezenŃi şi adesea este însoŃit de acidul linoleic şi palmitic. Acidul oleic reprezintă izomerul cis, în timp ce forma trans este acidul elaidinic cu proprietăŃi diferite de izomerul său. Se află în cantităŃi mai mari în uleiul de măsline, şi are formula: CH3-(CH2)7-CH=CH-(CH2)7-COOH (18:1 sau 18:1∆9) Simbolul, în cazul acizilor nesaturaŃi, se mai completează cu poziŃia atomilor de carbon care realizează dubla legătură. Numărătoarea atomului de carbon care se leagă de următorul prin puntea C=C , se poate face în 2 moduri: -

dinspre gruparea carboxil spre gruparea metil (se notează cu c).

-

dinspre gruparea metil spre carboxil (se notează cu ω).

În cazul acidului oleic, de oriunde se porneşte, cifra va fi tot 9. Astfel avem: ← sens numerotare c CH3-(CH2)7-CH=CH-(CH2)7-COOH (9c-18:1) sens numerotare ω →

(acid ω-9)

____________________________________________________________________________________________________________________________________________

34

.

Biochimie horticolă

Acizii graşi polinesaturaŃi prezintă 2 sau mai multe duble legături şi sunt consideraŃi pentru om acizi graşi esenŃiali (AGE) sau vitamine F. Luând ca exemplu acidul linolenic, acid gras cu 3 duble legături, prezent mai ales în uleiul de in, acesta are formula şi simbolul: CH3-(CH2-CH=CH)3-(CH2)7-COOH (9c, 12c, 15c-18:3 sau 18:3∆9,12,15) (acid ω-3) Numerotarea omega (ω), în cazul acizilor polinesaturaŃi, nu se mai continuă după atomul de carbon prin intermediul căruia se realizează prima dublă legătură. Respectând unghiurile legăturilor chimice, grafic, molecula de acid linolenic (acid omega 3) se poate reprezenta astfel:

Principalii acizi graşi nesaturaŃi sunt prezentaŃi în tabelul de mai jos: Numărul atomilor de C - cu o dublă legătură Acid lauroleic C12 DENUMIRE

Formula

SURSE

CH3-CH2-CH=CH-(CH2)7-COOH

- lapte de capră - cocos - ulei de balenă - în cantităŃi mici, în grăsimile vegetale şi animale

Acid miristioleic

C14

CH3-(CH2)3-CH=CH-(CH2)7-COOH

Acid palmitoleic

C16

CH3-(CH2)5-CH=CH-(CH2)7-COOH

____________________________________________________________________________________________________________________________________________

35

.

Biochimie horticolă

Acid oleic (omega 9)

Acid erucic

C18

CH3-(CH2)7-CH=CH-(CH2)7-COOH

C22

CH3-(CH2)7-CH=CH-(CH2)11-COOH

- ulei de măsline - seminŃe de dovleac - ulei de rapiŃă - ulei de conifere

- cu două duble legături Acid linoleic (omega 6)

C18

- ulei de in - ulei de CH3-(CH2)4-CH=CH- CH2-CH=CH-(CH2)7-COOH floarea soarelui - seminŃe oleaginoase

- cu trei duble legături Acid linolenic (omega 3)

C18

Acid γ-linolenic (omega 6)

C18

Acid elaeostearic (izomer de tip omega 6 al acidului linolenic)

C18

- in - peşti - arahide CH3-(CH2)4-CH=CH-CH2-CH=CH-CH2-CH=CH- - mac (CH2)4-COOH - seminŃe de struguri şi de coacăze negre CH3-CH2-CH=CH-CH2-CH=CH-CH2-CH=CH(CH2)7-COOH

CH3-(CH2)3-CH=CH-CH=CH-CH=CH-(CH2)7COOH

- cu patru duble legături Acid arahidonic C20 CH3-(CH2)4-(CH=CH-CH2)4-CH2-CH2-COOH (omega 6)

-seminŃe de dovleac - arahide - fosfolipide

Hidroxiacizi graşi conŃin în molecula lor şi funcŃiunea hidroxil. În răşinile multor conifere se întâlnesc următorii hidroxiacizi: acidul sabinic (hidroxilauric) şi acidul iuniperic (hidroxipalmitic) II: H2C – (CH2)10 – COOH  OH

H2C – (CH2)14 – COOH  OH 3.3. Alcooli

Alcoolii reprezintă al doilea component al lipidelor naturale. Pot fi aciclici sau ciclici, monohidroxilici sau polihidroxilici, cu sau fără azot. Alcoolii aciclici monohidroxilixi fără azot intră în compoziŃia cerurilor şi adesea corespund acizilor graşi superiori. - Alcool cetilic - Alcool stearilic - Alcool cerilic - Alcool miricilic

CH3-(CH2)14-CH2-OH CH3-(CH2)16-CH2-OH CH3-(CH2)25-CH2-OH CH3-(CH2)30-CH2-OH

corespunzător acidului palmitic corespunzător acidului stearic corespunzător acidului cerotic

____________________________________________________________________________________________________________________________________________

36

.

Biochimie horticolă

Aminoalcoolii sunt alcooli ciclici azotaŃi care intră în constituŃia lipidelor complexe. Cei mai răspândiŃi sunt colamina şi derivatul său trimetilat – colina, care intră în structura acestor lipide sub formă de esteri fosforici. Sterolii sunt alcooli superiori cu structură tetraciclică ce au la bază nucleul ciclopentanperhidrofenantrenic:

Ciclurile din nucleu se notează cu literele A,B,C,D, iar atomii de C din cicluri, cu cifrele de la 1-17. În poziŃiile 10, 13, 17, atomii de H sunt înlocuiŃi cu radicali, iar în poziŃia 3 se află un hidroxil. În structura sterolilor pot fi şi legături duble (1-3) în ciclu, de obicei în B sau în catena din poziŃia 17. Sterolii se găsesc liberi în natură, dar şi esterificaŃi la hidroxilul din poziŃia 3 cu acizi graşi, formând steride. Sterolii din regnul vegetal (fitosterolii) se găsesc în mod obişnuit în amestec format din mai mulŃi reprezentanŃi. Majoritatea conŃin 29 de atomi de carbon, iar cei mai importanŃi sunt: sitosterolul, stigmasterolul şi mai nou brasicasterolul. Se găsesc îndeosebi în seminŃele plantelor oleaginoase şi leguminoase, unde se află în concentraŃii de 0,2-0,6%, în seminŃele germinate de cereale, iar brasicasterolul la Brasicaceae. Din uleiul de soia s-a extras stigmasterolul, utilizat în industria medicamentelor

Sitosterol

Stigmasterol

____________________________________________________________________________________________________________________________________________

37

.

Biochimie horticolă

Brasicasterol

Ergosterol (provitamina D2)

Ergosterolul a fost izolat prima dată din cornul de secară şi drojdii, fiind considerat un micosterol. Ulterior s-a dovedit a fi provitamina vitaminei D2, generând după iradierea cu raze UV vitamina D2 sau calciferolul, cu acŃiune puternic antirahitică la om. Glicerolul sau glicerina este alcoolul trihidroxilic component principal al gliceridelor şi al multor lipide complexe. În stare anhidră este un lichid siropos, incolor, cu gust dulce, higroscopic şi se amestecă în orice proporŃii cu alcoolul sau acetona. Fiind un alcool manifestă toate proprietăŃile chimice ale funcŃiei OH, însă acestea vor fi mai pronunŃate datorită vecinătăŃii grupelor alcoolice:

-

oxidarea menajată sau enzimatică a glicerolului duce la formarea de trioze:

-

la încălzirea glicerolului se formează acroleina care se recunoaşte prin mirosul înŃepător şi acŃiunea sa lacrimogenă:

-

cu acizii graşi formează esteri în funcŃie de numărul şi raportul moleculelor de glicerină şi acid. Se pot forma mono, di şi triesteri.

____________________________________________________________________________________________________________________________________________

38

.

Biochimie horticolă

3.4. Lipide simple 3.4.1. Gliceride Gliceridele sunt lipidele simple cele mai răspândite, ele intrând în componenŃa tuturor celulelor şi constituind forma de depozit al lipidelor de rezervă îndeosebi în seminŃele plantelor oleaginoase. Plantele oleaginoase conŃin în proporŃie mare acizii oleic şi palmitic (80% în uleiul de măsline) şi în proporŃie mai mică acidul linoleic. Uleiul de floarea soarelui conŃine cca. 55-60% acid linoleic, 33-36% acid oleic şi 5-10% acid palmitic. Marea majoritate a gliceridelor naturale sunt trigliceridele, care rezultă prin esterificarea tuturor funcŃiilor –OH cu acizi identici sau diferiŃi. Denumirea gliceridelor se face Ńinând seama de natura acizilor graşi componenŃi. O astfel de trigliceridă mixtă ce conŃine acid palmitic în poziŃia α, acid oleic în poziŃia β şi acid stearic în poziŃia α′ are următoarea structură:

Denumirea ei va fi palmit-oleo-stearina sau α plmitiol-β oleoil-α′stearoilglicerol. ProprietăŃile fizice şi chimice ale trigliceridelor sunt determinate de natura acizilor graşi pe care îi conŃin. Gliceridele naturale se pot afla în stare lichidă (uleiurile vegetale) şi solidă sau semisolidă (grăsimile). Fiind amestecuri de gliceride mixte nu au temperaturi de topire fixe. Din punct de vedere al proprietăŃilor chimice, trigliceridele vor da reacŃii caracteristice legăturilor ester şi dublei legături, dacă acizii graşi constituenŃi sunt nesaturaŃi. •

Hidroliza poate avea loc fie în prezenŃa acizilor tari (minerali), a bazelor tari sau în

prezenŃa enzimelor – lipaze, eliberându-se treptat acizii graşi constituenŃi şi glicerolul.

____________________________________________________________________________________________________________________________________________

39

.

Biochimie horticolă

Hidroliza enzimatică a lipidelor de rezervă în seminŃele aflate în curs de germinare determină formarea glicerolului şi acizilor graşi care sunt utilizaŃi de planta tânără în procesul de creştere şi în procesul de respiraŃie. •

Hidroliza sub acŃiunea bazelor tari se numeşte saponificare decurge la cald şi rezultă

glicerol şi săpunuri (săruri de Na sau K ale acizilor graşi).

•

Hidrogenarea este o proprietate caracteristică trigliceridelor de natură vegetală,

nesaturate, deoarece adiŃionează doi atomi de H la fiecare dublă legătură, rezultând gliceride saturate. Pe această proprietate se bazează procesul industrial de obŃinere a margarinelor din uleiuri vegetale, care sunt îmbogăŃite ulterior cu vitamine, pigmenŃi cartenoidici, clorură de sodiu. •

Oxidarea, polimerizarea şi râncezirea. În contact cu oxigenul şi vaporii de apă din

atmosferă, majoritatea gliceridelor vegetale suferă transformări chimice şi biochimice cu apariŃia unui miros şi gust neplăcut, datorită acizilor β-cetonici şi aldehidelor formate din acizii graşi constituenŃi. Fenomenul acesta de alterare se numeşte râncezire şi este influenŃat de condiŃiile de obŃinere şi de păstrare necorespunzătoare. Acest proces poate fi prevenit cu ajutorul unor substanŃe antioxidante naturale: tocoferolii, vitamina E, carotenii care inhibă procesul de râncezire. 3.4.2. Ceride (ceruri vegetale) şi etolide Ceridele sunt componente ale cerurilor lipide formate prin esterificarea acizilor graşi cu alcooli superiori primari sau secundari, saturaŃi sau nesaturaŃi, cu 16-34 atomi de carbon. Cerurile vegetale sunt secreŃii naturale ale celulelor epidermice cu rol protector aflându-se sub forma unui strat subŃire pe suprafaŃa tuturor organelor aeriene (frunze, flori, tulpini, fructe). În cerurile vegetale, pe lângă ceride, se mai află hidrocarburi, alcooli, acizi superiori, răşini, etc. Cerurile de pe frunzele de varză şi tutun, ca şi de pe florile de trandafir sunt bogate în parafine ____________________________________________________________________________________________________________________________________________

40

.

Biochimie horticolă

superioare cu un număr impar de atomi de carbon. Ceara de Carnauba de pe frunzele palmierului Corypha este formată în mare parte din cerotat de miricil. Se găseşte şi la bumbac, cânepă, trestia de zahăr, intrând în compoziŃia cerurilor şi masticurilor utilizate în pomicultură pentru ungerea locurilor de altoire sau a rănilor la pomii fructiferi. Cerurile de pe suprafaŃa organelor vegetale împiedică pierderile prea mari de apă prin transpiraŃie şi protejează planta de agenŃi dăunători. Nu se recomandă ştergerea cerii de pe fructele puse la păstrare deoarece le scade rezistenŃa şi se pot deprecia rapid. Etolidele sunt ceride vegetale care formează componentul principal al cerurilor de la conifere. Au structură specială fiind esteri ai unor hidroxiacizi superiori care se combină între ei, participând de obicei 3-5 molecule la reacŃie de esterificare. Mai des întâlniŃi sunt acidul sabinic şi acidul iuniperic.

3.5. Lipide complexe 3.5.1. Fosfatide (fosfolipide) Sunt lipide complexe formate dintr-un alcool, o bază azotată şi acizi graşi superiori. Alcoolii din constituŃia fosfatidelor sunt de obicei glicerina, inozitolul, aminoalcoolul, sfingozina sau dihidrosfingozina. Ca baze azotate participă colamina şi colina, uneori aminoacidul serina. Fosfatidele se clasifică în glicerofosfolipide, inozitolfosfolipide şi sfingolipide. Glicerofosfolipidele sunt lipide complexe ce conŃin în moleculă glicerină esterificată cu acizi graşi şi cu acid fosforic. Restul de acid fosforic este esterificat uneori cu un aminoalcool, aminoacid sau inozitol. Sunt lipide de structură intrând în compoziŃia membranelor plasmatice, alături de proteine şi glicolipide. În funcŃie de natura celui de-al doilea alcool, glicerofosfolipidele se clasifică în: •

lecitine – conŃin colină,

•

cefaline – conŃin colamină,

•

seringlicerofosfolipide – conŃin serină,

•

inozitolglicerofosfolipide – conŃin inozitol.

____________________________________________________________________________________________________________________________________________

41

.

Biochimie horticolă

Cele mai răspândite sunt lecitinele şi cefalinele. În seminŃele de soia se găsesc în concentraŃie de 0,8%. Acizii graşi întâlniŃi mai frecvent în structura lor sunt acidul stearic, acidul palmitic şi acidul oleic (acidul gras nesaturat se află de obicei în poziŃia β). Această structură conferă glicerofosfolipidelor atât un caracter amfoter (sunt amfioni), cât şi caracter amfipatic. Caracetrul amfipatic este determinat de prezenŃa unei componente hidrofobe, liposolubilă (catenele celor doi acizi graşi) şi a unei componente hidrofile, solubile în apă (fosforil-colina, fosforil-colamina sau fosforil-serina).

Datorită acestor două componente, moleculele se pot orienta diferit în structurile celulare, formează straturi duble de fosfolipide în care sunt incluse proteine, steroli şi glicolipide. Fosfolipidele sunt orientate cu grupările hidrofile spre exterior şi cu acizii graşi, hidrofobi, spre mijlocul acestui bistrat. Printre moleculele de fosfolipide se găsesc molecule de glucide, steroli şi proteine integrate parŃial sau total, cu rol de enzime, proteine receptoare şi proteine transportoare, conform ipotezei mozaicului fluid a lui Singer şi Nicholson (1972).

Datorită acestei structuri, membranele plasmatice sunt semipermeabile, permit trecerea apei prin osmoză, iar a substanŃelor dizolvate prin proteine transportoare. Proteinele din structura membranelor sunt în acelaşi timp biochimic şi biologic active. Ele pot fi enzime sau complexe enzimatice specifice (ex. pentru sinteza celulozei în plasmalemă), pot fi receptori pentru mesageri chimic de lumină, presiune sau ecitaŃii mecanice, pot fi proteine transportoare de tipul canalelor sau pompelor de ioni. Astfel, membranele îşi îndeplinesc rolul specific de compartimentare celulară, transportul diferitelor substanŃe în şi din celule, precum şi între citoplasmă şi organitele celulare. Fosfolipidele sunt scindate la nivel celular de fosfolipaze. ____________________________________________________________________________________________________________________________________________

42

.

Biochimie horticolă

3.5.2. Sfingolipide Sunt lipide complexe ce conŃin în molecula lor în locul glicerolului substanŃe cu caracter de aminoalcooli: sfingozina, dihidrosfingozina sau fitosfingozina: CH3-CH2- CH2(CH2)11-(CHOH)2-CH(NH2)-CH2OH. În sfingolipidele vegetale s-au identifiact acidul cerebronic (α-hidroxi-lignoceric) şi acid lignoceric în proporŃie de 65% (la porumb) din totalul acizilor graşi. În sfingolipidele seminŃelor din soia, 95% din acizii graşi sunt acizii palmitic şi stearic, restul fiind acid cerebronic (5%). 3.5.3. Glicolipide Sunt lipide complexe în compoziŃia cărora se află un conŃinut mare de glucide, îndeosebi galactoză.Cele mai importante glicolipide vegetale sunt monogalactozildigliceridele şi digalactozildigliceridele. Acidul gras care esterifică grupările OH ale glicerolului este de obicei acidul linolenic. Ambele glicolipide au fost găsite în făina de grâu, în uleiul de crupe de ovăz verde, în trifoi şi în ierburile de furaj. 3.5.4. Sulfatide ConŃin sulf sub formă –SO3H legat în cele mai multe cazuri la atomul de C6 al unei oze (glucoză sau galactoză). Se găsesc de obicei în frunze sub formă de glicosulfolipide. Printre sulfatidele care au fost izolate din multe plante se numără glicosulfolipidele cu legătură glicozidică: 6 sulfo-6 deoxi-α-D galactopiranozil 1,1′ digliceridă şi 6 sulfo-6 deoxiα-D glucopiranozil 1,1′ digliceridă. În aceste lipide glicerolul este esterificat cu un acid gras din seria C18.

Autoevaluare 1. DefiniŃia, rolul şi clasificarea lipidelor. 2. DefiniŃia, reprezentarea şi proprietăŃile acizilor graşi saturaŃi. Exemple. 3. DefiniŃia, reprezentarea şi proprietăŃile acizilor graşi nesaturaŃi. Exemple. 4. Alcoolii din compoziŃia lipidelor. 5. ProprietăŃi fizice şi chimice ale gliceridelor. ReprezentanŃi. 6. Ceride şi etolide. Exemple. 7. Fosfolipide – structură şi rol. 8. Sfingolipide, glicolipide, sulfatide.

____________________________________________________________________________________________________________________________________________

43

.

Biochimie horticolă

Bibliografie selectivă 1. Bădulescu, L. 2009. Botanică şi Fiziologia plantelor. Ed. Elisavaros, Bucureşti. 2. Bodea, C. 1964. Tratat de biochimie vegetală. Partea I. Fitochimie. Vol.I. Ed Academiei RPR. 3. Burnea, I., Popescu, I., NeamŃu, G., Stancu, E., Lazăr, Şt. 1977. Chimie şi biochimie vegetală. EDP Bucureşti. 4. Burzo, I., Voican, V., Dobrescu, A., Delian, E., Bădulescu, L. 1999. Curs de Fiziologia plantelor. AMC USAMV Bucureşti. 5. Gherghi, A., Burzo, I., Bibicu, M., Mărgineanu, L., Bădulescu, L. 2001. Biochimia şi fiziologia legumelor şi fructelor. Ed. II-a revăzută şi completată. Ed. Academiei Române. 6. Ionescu, M. 1970. Biochimia agricolă. Ed. Ceres Bucureşti. 7. Lehninger, A.L. 1987. Biochimie. Vol.1. Ed. Tehnică Bucureşti.

____________________________________________________________________________________________________________________________________________

44

.

Biochimie horticolă

CAPITOLUL 4. AMINOACIZI ŞI PROTEINE Cuvinte cheie: grupare amino, grupare carboxil, aminoacizi esenŃiali, peptide, proteine, proprietăŃi, conformaŃie, metabolism, biosinteză, biodegradare, interconversie. Rezumat Cei 20 de aminoacizi întâlniŃi în mod obişnuit în plante se aseamănă prin faptul că au o grupare α-carboxil şi una α-amino, dar diferă prin natura chimică a radicalului R substituit la atomul de carbon α. Ei sunt clasificaŃi pe baza structurii şi polarităŃii radicalilor R. Clasa aminoacizilor nepolari (hidrofobi) include: alanina, leucina, valina, prolina, fenilalanina, triptofanul şi metionina. Clasa aminoacizilor polari neutri include: glicina, serina, treonina, cisteina, tirozina, asparagina şi glutamina. Clasa aminoacizilor încărcaŃi pozitiv (bazici) conŃine: arginina, lizina şi histidina, iar clasa aminoacizilor încărcaŃi negativ (acizi) conŃine acidul aspartic şi acidul glutamic. În natură se găsesc în stare liberă sau integraŃi în proteine şi alŃi aminoacizi: hidroxiprolina, acidul γ-aminobutiric, homoserina, β-alanina. Aminoacizii prezintă proprietăŃi comune altor clase de compuşi organici (sunt optic active precum monozaharidele) şi specifice datorită structurii particulare (sunt amfotere şi formează sisteme tampon). Având două grupări funcŃionale au o reactivitate crescută fie datorită prezenŃei grupării carboxil (formează săruri, esteri, amide), fie datorită prezenŃei grupării amino (formează amide şi compuşi coloraŃi), precum şi datorită prezenŃei ambelor grupări aminoacizii pot condensa între ei cu formare de legături peptidice (-CO-NH-) între gruparea amino a unui aminoacid şi gruparea carboxil a altui aminoacid. Aceste proprietăŃi stau la baza metodelor de separare, identificare şi cuantificare a amestecurile complexe de aminoacizi prin cromatografie, pe coloane cu schimbători de ioni, prin electroforeză. Peptidele sunt moleculele care conŃin 2,3,4 sau chiar 10 aminoacizi condensaŃi, fiind denumite dipeptide, tripeptide, tetrapeptide, respectiv decapeptide. În structura unui lanŃ peptidic apare totdeauna un aminoacid cu gruparea amino liberă (situat la capătul N-terminal), ales prin convenŃie în stânga lanŃului şi un aminoacid cu gruparea carboxil liberă (situat la capătul C-terminal), ales prin convenŃie cel din dreapta lanŃului. Peptidele au unele proprietăŃi similare aminoacizilor datorită prezenŃei celor două funcŃiuni terminale şi pot fi supuse reacŃiei de hidroliză acidă sau enzimatică, proprietate utilă în vederea eliberării aminoacizilor componenŃi şi stabilirii secvenŃei catenei peptidice. Polipeptidele sunt molecule ce conŃin în structura lor mai mult de 10 aminoacizi condensaŃi, iar proteinele sunt macromolecule cu mase moleculare mari (103-105) şi un grad înalt de organizare structurală. Fiecare proteină are cel puŃin o conformaŃie tridimensională în care este stabilă şi activă fiziologic în condiŃii de temperatură şi pH specifice. Proteinele fibrilare sunt formate din lanŃuri polipeptidice în formă de spirală α-helicoidală sau β-pliată, stabilizată printr-un număr mare de legături de hidrogen în interiorul lanŃului. Proteinele globulare sunt pliate compact, lăsând un spaŃiu mic în interior pentru moleculele de apă. În general grupările R polare sunt orientate spre suprafaŃa proteinei globulare, fiind hidratate, iar resturile hidrofobe sunt orientate spre interior. În funcŃie de secvenŃa lor de aminoacizi, proteinele globulare conŃin procente foarte diferite ale conformaŃiei α-helicoidală şi β-pliată, iar resturile de prolină determină curbarea lanŃurilor α-helicoidale. Unele proteine denaturate, depliate sau nou sintetizate revin spontan la conformaŃia lor iniŃială, nativă, datorită interacŃiilor de cooperare. Structura cuaternară a proteinelor oligomere (formate din mai multe subunităŃi monomere) este determinată de secvenŃa primară de aminoacizi a lanŃurilor polipeptidice componente şi de interacŃiile cooperante dintre subunităŃi. Ataşarea liganzilor la proteinele oligomere determină modificări ale stării conformaŃionale datorită unor transformări secvenŃiele ale subunităŃilor succesive sau transformări simetrice de tipul „tot sau nimic” ale întregii molecule oligomere.

____________________________________________________________________________________________________________________________________________

45

.

Biochimie horticolă

4.1. AMINOACIZI 4.1.1. Structură, clasificare şi rol biochimic Aminoacizi sunt compuşi biochimici cu funcŃiune mixtă, deoarece conŃin o grupare funcŃională carboxil (-COOH) şi o grupare funcŃională amină (-NH2), ambele grefate la acelaşi atom de carbon din poziŃia α (sau C2).

În funcŃie de particularităŃile structurale ale radicalului R, aminoacizii se clasifică astfel: 1. Aminoacizi aciclici: a. Aminoacizi monoaminomonocarboxilici cu radical alifatic: glicocol/glicina (Gly), alanină (Ala), valină (Val), leucină (Leu), izoleucină (Ile); b. Aminoacizi

monoaminomonocarboxilici

cu

o

grupare

hidroxil

(hidroxiaminoacizi): serină (Ser), treonină (Thr); c. Aminoacizi monoaminomonocarboxilici cu sulf: cisteina (Cys), cistina (CysCys), metionina (Met); d. Aminoacizi monoaminodicarboxilici: acid aspartic (Asp), acid glutamic (Glu), asparagina (Asn), glutamina (Gln); e. Aminoacizi diaminomonocarboxilici: lizina (Lys), hidroxilizina (Lys-OH), arginina (Arg). 2. Aminoacizi ciclici: a. Aminoacizi homeociclici (cu nucleu aromatic): fenilalanina (Phe), tirozina (Tyr); b. Aminoacizi heterociclici: histidina (His), triptofan (Trp), prolina (Pro), hidroxiprolina (Pro-OH) În funcŃie de caracterul pe care-l manifestă catenele laterale (R) aminoacizii se clasifică astfel: a) aminoacizi cu catene apolare – caracter neutru: glicină, alanină, leucină, izoleucină, metionină, fenilalanină, triptofan; b) aminoacizi cu catene polare: serina, treonina, cisteina, tirozina, asparagina, glutamina; ____________________________________________________________________________________________________________________________________________

46

.

Biochimie horticolă

Principalii aminoacizi din plantele horticole

____________________________________________________________________________________________________________________________________________

47

.

Biochimie horticolă

c) aminoacizi cu catene ionizabile – caracter acid sau bazic: acidul aspartic, acidul glutamic, lizina, arginina, prolina. În afară de cei 20 de aminoacizi comuni există peste 150 de aminoacizi liberi sau combinaŃi în alte structuri, neproteice, care pot fi precursori importanŃi sau intermediari ai metabolismului:

β-alanina intră în compoziŃia acidului pantotenic; homocisteina şi homoserina sunt intermediari în metabolismul aminoacizilor; citrulina şi ornitina sunt intermediari în sinteza argininei. Unii aminoacizi precum: arginina, fenilalanina, metionina, treonina, triptofanul, leucina, lizina, valina, constituie grupa aminoacizilor esenŃiali fiind indispensabili în alimentaŃia umană şi a animalelor, deoarece nu pot fi asimilaŃi decât din surse externe, respectiv hrana. ImportanŃa fundamentală a aminoacizilor constă în participarea lor în structura proteinelor. 4.1.2. ProprietăŃile generale ale aminoacizilor 1. Sunt substanŃe optic active – cu excepŃia glicinei, deorece au în molecula lor cel puŃin un atom de carbon asimetric (Cα) la care sunt legate două grupări funcŃionale: amino şi carboxil. 2. Prezintă o anumită solubilitate în apă, datorită celor două grupări funcŃionale (-NH2 şi -COOH) care determină în soluŃie apoasă polarizarea aminoacizilor (amfiioni):

Gradul de solubilitate în apă variază în funcŃie de natura radicalului R şi de pH-ul soluŃiei. Totodată, aminoacizii sunt puŃin solubili în solvenŃi organici, proprietate care stă la baza separării prin tehnica de cromatografie. 3. Sunt substanŃe cu caracter amfoter, deoarece se găsesc în soluŃie sub formă de amfiioni. Astfel, în mediu acid se comportă ca baze (acceptori de protoni), iar în mediul bazic se comportă ca acizi (donori de protoni). Ionii astfel formaŃi migrează sub acŃiunea unui câmp electric spre catod sau anod în funcŃie de valoarea pH-ului soluŃiei, proprietate care stă la baza separării prin tehnica de electroforeză.

____________________________________________________________________________________________________________________________________________

48

.

Biochimie horticolă

Pentru fiecare aminoacid există o valoare de pH numită pH izoelectric (pHi), la care sarcina netă a moleculei este zero (numărul sarcinilor pozitive este teoretic egal cu cel al sarcinilor negative) şi drept urmare aminoacizii nu migrează în câmp electric. Valoarea pHi depinde de structura aminoacidului şi la această valoare solubilitatea aminoacidului este minimă. 4. Constituie sisteme tampon (au acŃiune de tamponare), datorită caracterului lor amfoter, fiind foare eficiente pentru menŃinerea constantă a pH-ului celular. 5. Sunt biomolecule cu reactivitate chimică mare datorită prezenŃei în structura lor atât a grupării carboxil, cât şi a grupării amino. a. Datorită grupării carboxil aminoacizii reacŃionează cu: 1.

bazele formând săruri;

2.

alcoolii formând esteri;

3.

amoniacul formând amide;

4.

aminele formând amide substituite;

5.

elimină CO2 (se decarboxilează) formând amine. Datorită

acestei reacŃii catalizată de enzime se formează aşa-numitele amine biogene care pot fi precursori ai unor coenzime, hormoni, vitamine. Unele dintre ele sunt toxice pentru organismul vegetal (ex. putresceina) şi apar în perioada de supramaturare a fructelor sau în perioada de senescenŃă a plantelor. b. Datorită grupării amino aminoacizii reacŃionează cu: 1. ninhidrina formând compuşi coloraŃi în marea lor majoritate în albastru intens; 2. cloruri acide formând amide substituite; 3. CO2 formând carbamino-derivaŃi; c. Datorită prezenŃei ambelor grupări aminoacizii pot condensa între ei cu formare de legături peptidice (-CO-NH-) între gruparea amino a unui aminoacid şi gruparea carboxil a altui aminoacid, rezultând compuşi numiŃi peptide.

____________________________________________________________________________________________________________________________________________

49

.

Biochimie horticolă

Moleculele ce conŃin 2,3,4 sau chiar 10 aminoacizi condensaŃi se numesc dipeptide, tripeptide, tetrapeptide, respectiv decapeptide, iar la modul general oligopeptide. Polipeptidele sunt molecule ce conŃin în structura lor mai mult de 10 aminoacizi condensaŃi, iar proteinele sunt macromolecule cu mase moleculare mari (103-105) şi un grad înalt de organizare structurală. În structura unui lanŃ peptidic apare totdeauna un aminoacid cu gruparea amino liberă (situat la capătul N-terminal), ales prin convenŃie în stânga lanŃului şi un aminoacid cu gruparea carboxil liberă (situat la capătul C-terminal), ales prin convenŃie cel din dreapta lanŃului.

4.2. PEPTIDE Denumirea peptidelor se stabileşte prin indicarea succesivă a denumirii fiecărui aminoacid component al moleculei de peptidă cu adăugarea sufixului il, excepŃie făcând aminoacidul C-terminal cu grupare carboxil liberă care-şi menŃine denumirea neschimbată. Ex. o tripeptidă cu structura H2N-Ala-Asp-Cis-COOH va fi denumită alanil-aspartil-cisteină. Legătura peptidică este singura legătură covalentă dintre aminoacizi în structura liniară, de bază, a peptidelor. 4.2.1. ProprietăŃile generale ale peptidelor 1. Sunt solubile în mediu apos – peptidele formând soluŃii propriu-zise, iar polipeptidele dispersii coloidale. 2. Au caracter amfoter, datorită celor două grupări caoboxil şi amino terminale proprietate care stă la baza separării prin tehnica de electroforeză. Fiecare peptidă are o anumită valoare de pH numită pH izoelectric (pHi), la care sarcina netă a moleculei este zero şi nu migrează în câmp electric. 3. Formează săruri solubile cu acizii şi cu bazele. 4. Având în componenŃă cel puŃin 3 aminoacizi, deci minim 2 legături peptidice, peptidele (atât oligo, cât şi polipeptidele), formează în prezenŃa Cu2+ şi în mediu alcalin un

____________________________________________________________________________________________________________________________________________

50

.

Biochimie horticolă

complex peptidic violet, care poate fi determinat cantitativ spectrofotometric. Este reacŃia biuretului, reacŃie de culoare specifică peptidelor, nu şi aminoacizilor. 5. Hidroliza peptidelor în mediu acid sau bazic, precum şi în prezenŃa enzimelor, constă în desfacerea legăturii peptidice prin intervenŃia apei şi refacerea grupărilor –COOH şi –NH2 ale aminoacizilor. În funcŃie de condiŃiile de reacŃie hidroliza poate fi totală, rezultând aminoacizii constituenŃi, sau parŃială, rezultând un amestec de peptide mai mici. Această proprietate stă la baza determinării succesiunii aminoacizilor în lanŃul peptidic şi descifrarea structurii proteinelor. 4.2.2. Peptide din plante În diferite organe vegetale se găsesc peptide şi polipetide care îndeplinesc în unele cazuri anumite roluri fiziologice sau constituie produşi intermediari în anabolismul şi catabolismul proteinelor. Glutationul este una dintre primele peptide naturale cunoscute, fiind identificată la plante în 1936 de către Pett în numeroase organe vegetale, îndeosebi în seminŃe în timpul germinării. Ulterior s-a constatat că este o substanŃă cu o largă răspândire în lumea vie (drojdii, plante, animale, om), datorită proprietăŃilor sale biologice. Glutationul este o tripeptidă rezultată din condensarea acidului glutamic, cisteinei şi glicinei, primii doi aminoacizi fiind legaŃi prin gruparea carboxil din poziŃia γ a acidului glutamic.

Glutationul se prezintă în două forme structurale distincte: glutation redus (G-SH) şi glutation oxidat (G-S-S-G), care provine din două molecule de glutation redus, oxidarea realizându-se la nivelul grupării tiol (-SH) cu formarea grupării disulfurice caracteristică cisteinei:

Datorită grupării tiol (-SH) liberă, glutationul prezintă următoarele proprietăŃi biologice:


participă la procesele redox din celulă prin transfer de protoni (H+ şi e-), menŃinând

potenŃialul redox; ____________________________________________________________________________________________________________________________________________

51

.

Biochimie horticolă


participă la reacŃii de reducere a unor compuşi toxici, precum apa oxigenată (H2O2)

în ciclul glutation-ascorbat, alături de acidul ascorbic, având rol antioxidant;


este precursor al fitochelatinelor, compuşi care leagă metale grele precum cadmiu,

eliminând efectul toxic al acestora în celule;


protejează grupările tiol din structura unor enzime contra oxidării, activează unele

enzime sau acŃionează ca o coenzimă, fiind un donor de hidrogen;


este esenŃial pentru rezistenŃa plantelor la stresul biotic şi abiotic.

La fasole şi alte legume s-au pus în evidenŃă dipeptidele γ-glutamil-leucina şi γglutamil-S-metilcisteina şi sulfoxidul acesteia, care ar putea constitui un sistem redox în seminŃele germinate şi plantule. Printre polipeptidele naturale elaborate de microorganisme (bacterii şi ciuperci) se numără antibioticele, printre care gramicidina, tirocidina, polimixina, bacitracina, etc. Ciupercile din genul Fusarium şi Streptomyces produc peptide ciclice formate din αhidroxiacizi şi α-aminoacizi, cuplaŃi prin legături amidice şi esterice, numite depsipeptide, care au proprietăŃi antibiotice. Faloidina este o heptapeptidă formată şin două resturi de alanină, treonină, cisteină, hidroxiprolină, oxitriptofan şi δ-hidroxileucină, izolată din ciuperca Amanita phalloides. Adesea este însoŃită de faloină şi amanitină, heptapeptide cu structură similară falodinei, însă cu altă compoziŃie de aminoacizi.

faloidină

α-amanitină

β-amanitină

Alte peptide au mai fost puse în evidenŃă în seminŃele de in, frunzele de secară, spanac sau ceapă.

4.3. PROTEINE Proteinele sunt macromolecule esenŃiale organismului vegetal, cu un înalt grad de organizare structurală şi cu rol fundamental în structura şi funcŃiile celulei. Sunt alcătuite dintr-un număr mare de aminoacizi (legaŃi prin legături peptidice), a căror succesiune este ____________________________________________________________________________________________________________________________________________

52

.

Biochimie horticolă

determinată genetic. Imensa diversitate structurală şi funcŃională a proteinelor este determinată atât de numărul, tipul şi secvenŃa aminoacizilor componenŃi, cât şi de organizarea spaŃială, configuraŃională a moleculei de proteină. 4.3.1. Structura proteinelor Proteinele sunt macromolecule cu structură complexă, în care atomii şi grupele de atomi constituenŃi sunt dispuşi conform unui aranjament spaŃial conformaŃional, în cadrul aceleiaşi configuraŃii a moleculei proteice. ConfiguraŃia indică aranjarea în spaŃiu a grupelor substituente din stereoizomeri, astfel de structuri având de suferit la modificarea, iar conformaŃia indică modalitatea dispunerii atomilor în spaŃiul tridimensional, ca o consecinŃă a rotirii acestora în jurul unei legături simple existente în molecula respectivă. Structura generală a proteinelor este determinată de următorii factori: - caracterul legăturii peptidice (caracter parŃial de dublă legătură datorită delocalizării electronilor π ai legăturii C=O din vecinătate); - geometria legături peptidice (legătura peptidică având caracter parŃial de dublă legătură nu eprmite o rotaŃie liberă a atomilor de C şi N în jurul ei, fapt ce se repercutează asupra organizării spaŃiale a proteinelor); - natura catenelor laterale (-R) ale aminoacizilor componenŃi care pot prezenta grupări polare (provenite din grupările funcŃionale –COOH, -NH2, -OH, -SH) sau nepolare; - conformaŃia (organizarea stereospecifică). Structura globală a macromoleculelor proteice reprezintă rezultanta coexistenŃei şi interacŃiunii mai multor nivele de organizare: 1. primară 2. secundară 3. terŃiară 4. cuaternară 1. Structura primară este structura de bază a fiecărei proteine şi reprezintă numărul, tipul, proporŃia şi ordinea aminoacizilor în catena polipeptidică. Ea se caracterizează prin: •

existenŃa legăturilor peptidice (-CO-NH-) între diverşi aminoacizi;

•

existenŃa unei succesiuni (secvenŃe) bine definite a aminoacizilor în catenele polipetidice, controlată genetic de informaŃia cuprinsă în ADN;

•

determină configuraŃia de ansamblu specifică fiecărei proteine.

____________________________________________________________________________________________________________________________________________

53

.

Biochimie horticolă

2. Structura secundară reprezintă aranjamentul spaŃial al lanŃului polipeptidic, datorat multiplelor legături de hidrogen intra- şi intercatenare ce se stabilesc între grupările –NH şi – CO din legături peptidice diferite. Formarea acestor legături de hidrogen este posibilă datorită distribuŃiei diferite a electronilor la nivelul legăturii peptidice, legătură ce devine parŃial ionizată, deoarece atomul de O va avea un exces de electroni (δ-), iar atomul de N un deficit de electroni (δ+). Deşi legăturile de hidrogen sunt relativ slabe, structura secundară este totuşi stabilă datorită numărului mare de astfel de legături de hidrogen şi de repartizarea lor uniformă de-a lungul catenelor polipeptidice. Structura secundară este reprezentată în cele mai multe cazuri prin două modele conformaŃionale: α-helix şi β-pliere. •

Modelul α-helix rezultă din spiralarea catenei polipetidice într-o elice orientată de la

stânga la dreapta (orientare care predomină în structura proteinelor native şi este mai stabilă din punct de vedere energetic). Această structură are următoarele caracteristici:


pe fiecare spiră sunt 3,6 aminoacizi;




distanŃa dintre două spire este de 5,4 Ǻ;




toate grupările –NH şi –CO formează legături de hidrogen;




radicalii R ai tuturor aminoacizilor sunt orientaŃi spre exteriorul elicei,

deasupra sau dedesubtul planului legăturilor peptidice.

____________________________________________________________________________________________________________________________________________

54

.

Biochimie horticolă

•

Modelul β-pliere („planuri pliate”): în această structură lanŃul polipeptidic suferă o

îndoire (pliere) la un unghi de 90˚, care se face în dreptul atomului de Cα, purtător al grupărilor –COOH şi –NH2 implicate în legături peptidice. Această pliere a lanŃului polipeptidic determină apariŃia de legături de hidrogen intercatenare între două sau mai multe lanŃuri polipeptidice (între atomii de h dintr-o legătură peptidică a unui lanŃ polipetidic şi atomii de o dintr-o legătură peptidică a altui lanŃ polipeptidic), legături care conferă stabilitate acestei structuri. Modelul în planuri pliate este de tip paralel şi antiparalel. Proteinele cu structură β-pliată sunt flexibile, dar nu elastice şi sunt în general proteinele sub formă de filamente (proteinele fibrilare).

____________________________________________________________________________________________________________________________________________

55

.

Biochimie horticolă

3. Structura terŃiară este o organizare spaŃială complexă rezultată prin înfăşurarea lanŃului polipeptidic într-o suprastructură tridimensională (globulară cel mai adesea). Proteinele cu structură terŃiară, respectiv proteinele globulare, prin înfăşurarea lor formează un miez hidrofob, format din radicalii nepolari, şi o parte externă hidrofilă, cu grupări chimice disociabile ale aminoacizilor constituenŃi. Structura terŃiară a proteinelor globulare poate fi clasificată în funcŃie de secvenŃele zonelor cu structuri secundare ordonate, astfel:


conformaŃia α, care conŃine doar catene α-helix antiparalele grupate câte două;




conformaŃia β, care conŃine numai catene cu structură β-pliată antiparalele;




conformaŃia α +β, care conŃine atât catene α-helix, cât şi catene cu structură β-

pliată plasate în diverse părŃi ale moleculei. Planul β-pliat este format din lanŃuri antiparelel, având la capete grupate catenele de α-helix;

____________________________________________________________________________________________________________________________________________

56

.

Biochimie horticolă


conformaŃia α/β, în care segmente cu structură secundară β orientate paralel într-

un plan β-pliat alternează cu segmente cu structură secundară α-helix, aflate de o parte şi de alta a planului β-pliat. Structura terŃiară este un stadiu avansat de organizare spaŃială a structurii proteinelor, a cărei complexitate este detrminată de existenŃa unor multiple interacŃiuni chimice intramoleculare, precum:


legături covalente formate prin „punŃi disulfurice” (-S-S-) între radicalii de cisteină;




legături de tip eter sau de tip ester;




legături ionice stabilite între grupările polare (-NH3+ şi –COO-) din diferiŃi aminoacizi;




legături de hidrogen nepeptidice;




legături de tip dipol-dipol, stabilite între grupările –OH din serină şi treonină, forŃe van der Waals sau interacŃiuni hidrofobe.

Toate aceste legături sunt însă legături slabe (cu excepŃia celor covalente) care conferă structurii terŃiare o anumită labilitate şi care se pot desface sub acŃiunea unor factori fizici sau chimici, fenomen cunoscut sub denumirea de denaturarea proteinelor, proces însoŃit de cele mai multe ori de pierderea proprietăŃilor biologice. 4. Structura cuaternară reprezintă cel mai înalt grad de organizare moleculară a proteinelor, caracteristic proteinelor native, care există ca agregate moleculare formate din mai multe catene polipeptidice unite în subunităŃi. Structura cuaternară reprezintăasocierea unor catene polipetidice identice, numite protomeri (care au deja structură primară, secundară şi terŃiară definită) într-un ansamblu (agregat) denumit oligomer. În funcŃie de numărul protomerilor (care pot fi identici sau diferiŃi) proteinele oligomere pot fi dimeri, trimeri, tetrameri. Legăturile dintre protomeri se manifestă la suprafaŃa fiecărui protomer, sunt legături de hidrogen şi electrostatice cu rolul de a stabiliza agregatul molecular. Asamblarea proteinei oligomere are loc prin alăturarea unor porŃiuni din suprafaŃa monomerilor, precizia cu care se realizează asamblarea şi stabilitatea configuraŃiei proteinei oligomere fiind asigurate de principiul complementarităŃii subunităŃilor. Un exemplu de proteină oligomeră îl constituie componenta proteică a clorofilei – pigment verde care asigură absorbŃia radiaŃiilor luminoase în procesul de fotosinteză. Structura cuaternară a acestei proteine este un tetramer alcătuit din patru protomeri, respectivi patru catene polipeptidice: 2 catene H identice şi 2 catene L identice. Cei patru ____________________________________________________________________________________________________________________________________________

57

.

Biochimie horticolă

protomeri se constituie într-un tetramer care leagă în centrul său o moleculă de clorofilă, structura rezultată fiind integrată în membrana internă a cloroplastului.

În situaŃia în care anumiŃi factori fizici sau chimici induc disocierea subunităŃilor, aceasta presupune totodată modificarea conformaŃională a proteinei şi respectiv pierderea activităŃii ei biologice. Un alt exemplu de proteină oligomeră îl constituie enzima RUBISCO – care asigură fixarea CO2 în procesul de fotosinteză. Structura cuaternară a acestei proteine este un octamer alcătuit din patru dimeri, respectiv 16 catene polipeptidice: 8 catene L identice sintetizate în cloroplast, 8 catene S identice sintetizate în citoplasmă şi 4 ioni de Mg2+. O catenă (subunitate) S sintetizată în citoplasmă şi care a pătruns prin porii membranei în cloroplast se leagă de o subunitate L sintetizată în stroma cloroplastului formând un dimer, care ulterior fixează un ion de Mg2+. Patru astfel de dimeri constituiŃi se asociază formând un octamer, structura rezultată având opt situsuri pentru fixarea CO2.

4.3.2. ProprietăŃile generale ale proteinelor ProprietăŃi fizico-chimice 1. Starea de agregare – în stare pură sunt substanŃe solide, cristaline sau amorfe, stabile la temperatura obişnuită, iar la temperaturi mai mari de 50°C se denaturează.

____________________________________________________________________________________________________________________________________________

58

.

Biochimie horticolă

2. Masa moleculară variază de la câteva mii la milioane de daltoni (1Da este unitatea atomică de masă 1,67 • 10-24g). Masa moleculară a unor proteine vegetale Amandină (din migdale) 346.000 Legumină (din seminŃe de mazăre) 330.000 Vicilină (din seminŃe de mazăre) 186.000 Ricină (din seminŃe de ricin) 77.000 Zeină (din cariopse de grâu) 50.000 Gliadină (din cariopse de grâu) 27.500 Nucleoproteide (din virusuri fitopatogene) 6.000.000 – 60.000.000 3. Solubilitatea proteinelor – proteinele globulare sunt solubile în apă şi soluŃii saline, iar cele fibrilare sunt insolubile. Solubilitatea proteinelor depinde de pH-ul şi compoziŃia mediului. 4. Caracterul coloidal – datorită configuraŃiei macromoleculare proteinele formează sisteme coloidale, heterogene, în care faza dispersată este proteina, iar dispersantul este apa faŃă de care proteina manifestă o oarecare afinitate. Din acest motiv proteinele nu dializează prin membrane semipermeabile şi se denaturează reversibil. 5. Disocierea proteinelor – fiind polielectroliŃi proteinele au caracter amfoter (în mediu acid se comportă ca baze, iar în mediu bazic ca acizi). În funcŃie de structura primară a fiecărei proteine şi pH-ul mediului pentru orice proteină există o valoare de pH, numită pH izoelectric (pHi), la care sarcina globală a proteinei este zero, starea coloidală se destabilizează, iar proteinele manifestă solubilitate minimă. La pH mai mare decât pHi sarcina globală a proteinei este negativă (se comportă ca un anion), iar la pH mai mic decât pHi sarcina globală a proteinei este pozitivă (se comportă ca un cation). 6. Comportarea ca un sistem tampon datorită caracterului amfoter proteinele au capacitatea de a menŃine pH-ul fiziologic în interiorul celulei vegetale, asigurând homeostazia acesteia. ProprietăŃi chimice ReacŃiile chimice la care participă proteinele se pot clasifica în patru categorii: 1. ReacŃii datorate prezenŃei legăturilor peptidice – care pot fi clasificate la rândul lor în: a. reacŃii de hidroliză sunt reacŃiile de scindare hidrolitică a legăturilor peptidice, în mediu acid, bazic sau sub acŃiunea enzimelor proteolitice, cu punerea în libertate a aminoacizilor componenŃi ai macromoleculei proteice. b. reacŃia biuretului este o reacŃie de culoare specifică legăturii peptidice de reacŃie cu ionii de Cu2+, în mediu alcalin, formând combinaŃii complexe de culoare violacee.

____________________________________________________________________________________________________________________________________________

59

.

Biochimie horticolă

2. ReacŃii datorate grupării amino libere – toŃi aminoacizii componenŃi ai proteinelor reacŃionează cu ninhidrina prin intermediul grupării amino, care se eliberează sub formă de amoniac, şi formează un compus de culaore albastră-violet. 3. ReacŃii de precipitare – în funcŃie de natura reactivilor de precipitare, proteinele precipită reversibil sau ireversibil. a. precipitarea reversibilă (salifierea) se realizează în prezenŃa unor concentraŃii mari de electroliŃi tari, (NH4)2SO4 sau Na2SO4, fără modificarea structurii spaŃiale, iar după îndepărtarea agenŃilor chimici de precipitare proteinele revin la starea lor nativă, fără modificarea proprietăŃilor biologice ale acestora. b. precipitarea ireversibilă este însoŃită de modificări profunde ale structurii proteinelor, care se denaturează şi nu se mai pot redizolva, rămânând în stare precipitată. Această reacŃie are loc în prezenŃa acizilor minerali concentraŃi (HNO3, HCl), acizilor organici (acidul tricloracetic, acidul picric, acidul sulfosalicilic), cu săruri de metale grele (Pb2+, Hg2+) sau cu solvenŃi organici (acetonă, alcool). 4. ReacŃii datorate catenelor laterale sunt reacŃii chimice în care sunt implicaŃi radicalii proveniti de la aminoacizii ce alcătuiesc structura primară a unei proteine. Aceste reacŃii sunt diverse în funcŃie de natura catenei laterale, fiind de esterificare, alchilare, etc. 4.3.3. Proteine cu importanŃă biologică Proteinele sunt substanŃe macromoleculare în alcătuirea cărora pot intra fie doar aminoacizi (holoproteidele) sau conŃin şi alte substanŃe precum glucide, lipide, minerale, acizi anorganici, acizi nucleici, pigmenŃi, caz în care poartă denumirea de heteroproteide. După formă, proteinele sunt: -

globulare (sferice),

-

fibrilare (alungite şi uneori dure numindu-se şi scleroproteide).

Între cele două tipuri, există şi forme intermediare (globulinele). Holoproteidele sunt denumite şi proteine propriu-zise, având în compoziŃie doar aminoacizi, deci numai carbon, hidrogen, oxigen, azot şi sulf. Toate holoproteidele sunt globulare. Din această grupă de protide fac parte următoarele categorii: - albuminele, - globulinele, - prolaminele (gliadine),

____________________________________________________________________________________________________________________________________________

60

.

Biochimie horticolă

- gluteline, - histonele. Albuminele sunt proteine globulare cu caracter slab acid spre neutru şi masă moleculară relativ mică, uşor solubile în apă, soluŃii saline, acizi şi baze diluate. Au structură terŃiară, precipită numai în prezenŃa soluŃiilor saturate de sulfat de amoniu şi sulfat de sodiu, iar prin încălzire la 60-70 ˚C coagulează. Albumine se găsesc în toate organele plantelor, de cele mai multe ori asociate cu globuline, de care se separă datorită solubilităŃii diferite. Spuma albă care apare la fierberea fructelor şi legumelor se datoreşte prezenŃei albuminelor. Cele mai studiate sunt albuminele din seminŃele plantelor care asigură rezerva de aminoacizi necesară embrionului în timpul germinării. Ex. legumelina din seminŃele leguminoaselor (mazăre, linte, şi soia), leucozina din seminŃele de cereale (grâu, secară, ovăz), ricinina din seminŃele de ricin, faseolina în seminŃale de fasole. Globulinele au un caracter mai acid decât albuminele, datorită conŃinutului mai mare de acizi aspartic şi glutamic. Au masă moleculară mai mare decât albuminele şi cristalizează mai greu dacât acestea. Sunt insolubile în apă, dar solubile în soluŃii slab alcaline; precipită în soluŃii de sulfat de amoniu 50% şi se denaturează termic mai greu dacât albuminele. Prolaminele şi gluteinele sunt proteine globulare de natură exclusiv vegetală, având un conŃinut ridicat de acid glutamic şi acid aspartic. Se găsesc în cariopsele de grâu, porumb, ovăz, secară având rol de substanŃe organice de rezervă. Heteroproteidele conŃin, pe lângă aminoacizi, diferite alte substanŃe, numite grupări prostetice. Principalele heteroproteide sunt: - Metaloproteinele (citocromul, clorofila, vitamina B12, etc.), care conŃin metale precum Fe2+, Fe3+, Mg2+, Zn2+, Cu2+, etc. Ionul metalic se leagă de componenta proteică prin legături covalente şi covalent-coordinative, formând o structură stabilă de “chelat”. Metalul poate stabili legătura covalent-coordinativă cu diferite grupări chimice din structura lanŃului peptidic sau cu molecule mici care se află în apropierea ionului metalic, numite liganzi. - Fosfoproteinele sunt heteroproteide a căror componentă prostetică este reprezentată de radicalul acidului fosforic (-PO3H2). Acest radical se leagă de coponenta proteică prin intermediul aminoacidului serină (formând fosforilserina) sau prin intermediul aminoacidului treonină (formând fosforiltreonina). PrezenŃa radicalului fosforil în molecula acestor proteide, le conferă acestora caracter acid şi deci proprietatea de a forma săruri de calciu sau potasiu. - Glicoproteinele sunt heteroproteide care conŃin o grupare prostetică formată din resturi de glucide sau poliglucide cu rol de receptori membranali. Sunt macromolecule

____________________________________________________________________________________________________________________________________________

61

.

Biochimie horticolă

integrate în membrane sau solubile în apă sau, cu care formează soluŃii vâscoase, pot fi acide sau neutre, se găsesc asociate cu enzime sau hormoni. - Lipoproteinele (ex. proteine de transport, care fixează lipidele, împreună cu care circulă prin vasele conducătoare ale plantelor), sunt heteroproteide a căror componentă prostetică este de natură lipidică (fosfolipide, trigliceride, steroli) şi care stabileşte legături ionice sau prin forŃe van der Waals cu apolipoproteina-componenta proteică. - Cromoproteine (ex. proteine cu clorofilă, fitocromul) sunt heteroproteide a căror grupare prostetică este o substanŃă colorată (pigment) care conferă culoare întregii molecule. După natura chimică a componentei prostetice, cromoproteidele se clasifică în: a. cromoproteide porfirinice b. cromoproteide neporfirinice a. Cromoproteidele porfirinice au drept componentă prostetică de bază un nucleu tetrahidropirolic, numit protoporfirină IX, substituit cu radicali metil, vinil, carboxil. Aceasta chelatează un ion de Mg2+ formând clorofilida, iar după esterificarea grupărilor carboxil cu metanol sau fitol, formează clorofila, un pigment de culoare verde care are rol în absorbŃia luminii în timpul procesului de fotosinteză. b. Cromoproteidele neporfirinice sunt acele heteroproteide la care gruparea prostetică este formată din pigemnŃi coloraŃi în galben-portocaliu sau roşu, numiŃi carotenoide. De aceea, cromoproteidele neporfirinice se mai numesc şi caroteno-proteide. - Nucleoproteinele sunt heteroproteide la care gruparea prostetică este reprezentată de acizi nucleici, cu rol în stocarea, transmiterea şi exprimarea informaŃiei ereditare, biosinteza proteinelor, diviziunea celulară. În funcŃie de natura chimică a grupării prostetice se clasifică în: - ribonucleoproteide, a căror componentă prostetică este acidul ribonucleic (ARN) şi sunt localizate în citoplasmă, mitocondrii, plastide, având capacitatea de a se asocia cu ribozomii, dar şi în nucleu celulelor; - deoxiribonucleoproteide, a căror componentă prostetică este acidul deoxiribonucleic (ADN), iar proteina o histonă, acestea fiind localizate în nucleul tuturor celulelor şi reprezintă componentele structurale ale cromozomilor şi genelor.

____________________________________________________________________________________________________________________________________________

62

.

Biochimie horticolă

Autoevaluare 1. Structura, clasificarea şi rolul aminoacizilor. 2. ProprietăŃile generale ale aminoacizilor. 3. Peptide – proprietăŃi şi reprezentanŃi. 4. Proteine – structura primară şi secundară. 5. Proteine – structura terŃiară şi cuaternară. 6. ProprietăŃile generale ale proteinelor. 7. Holoproteide. 8. Heteroproteide.

Bibliografie selectivă 1. Bodea, C. 1964. Tratat de biochimie vegetală. Partea I. Fitochimie. Vol.I. Ed Academiei RPR. 2. Burnea, I., Popescu, I., NeamŃu, G., Stancu, E., Lazăr, Şt. 1977. Chimie şi biochimie vegetală. EDP Bucureşti. 3. Burzo, I., Voican, V., Dobrescu, A., Delian, E., Bădulescu, L. 1999. Curs de Fiziologia plantelor. AMC USAMV Bucureşti. 4. Gherghi, A., Burzo, I., Bibicu, M., Mărgineanu, L., Bădulescu, L. 2001. Biochimia şi fiziologia legumelor şi fructelor. Ed. II-a revăzută şi completată. Ed. Academiei Române. 5. Ionescu, M. 1970. Biochimia agricolă. Ed. Ceres Bucureşti. 6. Lehninger, A.L. 1987. Biochimie. Vol.1. Ed. Tehnică Bucureşti.

____________________________________________________________________________________________________________________________________________

63

.

Biochimie horticolă

CAPITOLUL 5. ACIZI NUCLEICI Cuvinte cheie: acid dezoxiribonucleic, ADN, acid ribonucleic, ARN, baze azotate, nucleotide, dublu-helix, rol fiziologic, localizare. Rezumat Acizii nucleici, reprezentaŃi de ADN (acid deoxiribonucleic) şi ARN (acid ribonucleic) sunt macromolecule neramificate alcătuite din lanŃuri de nucleotide legate covalent prin punŃi fosfodiesterice între gruparea 5’-hidroxil a unei nucleotide şi gruparea 3’hidroxil a nucleotidei următoare. Nucleotidele reprezintă unităŃile monomere ale acizilor nucleici şi sunt formate dintr-o pentoză (riboză sau deoxiriboza), o bază azotată derivată a heterociclului pirimidinic (citozină, uracil sau timină) sau a ciclului purinic (adenină şi guanină) şi acidul fosforic. Nucleozidele sunt formate dintr-o pentoză şi bază azotată caracteristică se găsesc în celule esterificate cu una, două sau trei grupări fosfat, formând astfel un nucleozid monofosfat (NMP), un nucleozid difosfat (NDP) sau un nucleozid trifosfat (NTP). Astfel în cazul adenozinei, nucleozidul rezultat din condensarea adeninei cu riboza, se formează prin esterificare cu acidul fosforic nucleotidele: adenozin 5’-monofosfat (AMP), adenozin 5’-difosfat (ADP) şi adenozin 5’-trifosfat (ATP). În structura acizilor ribonucleici (ARN) localizaŃi în nucleu, plastide, mitocondrii şi în citoplasmă intră ribonucleotidele AMP, GMP, CMP şi UMP, pe când în structura acizilor deoxiribonucleici (ADN) localizaŃi în nucleu, mitocondrii şi plastide intră deoxiribonucleotidele: dAMP, dGMP, dCMP şi dTMP. În afara acestor nucleotide purinice şi pirimidinice fundamentale în celulele vegetale sunt prezente şi alte mononucleotide, cum ar fi: acidul adenozin 3’,5’ciclic fosfat (cAMP) sau guanozin 3’,5’ciclic fosfat (cGMP), cu rol de mesageri secundari în transmiterea şi amplificarea la nivel celular a semnalelor chimice hormonale. Principalul rol fiziologic al acizilor nucleici îl reprezintă depozitarea şi transferarea informaŃiei genetice fie în structura proteinelor, fie în transmiterea caracterelor ereditare. DerivaŃii 5’-difosforici şi 5’-trifosforici ai nucleozidelor deŃin funcŃii importante în celulă: de exemplu ADP şi ATP au rol fundamental în stocarea, transportul şi utilizarea energiei biochimice, UDP şi GDP în transportul şi activarea unor glucide, GDP în transportul unor grupări amino în reacŃii catalizate enzimatic. De asemenea, nucleotidele intră în alcătuirea unor enzime (dehidrazele piridin- şi pirimidin-nucleotidice) sau reprezintă cofactori enzimatici. 5.1. Nucleotide După natura componentei glucidice conŃinută în moleculă, acizii nucleici sunt de două tipuri: a) acidul deoxiribonucleic (ADN), ce conŃine deoxiriboză; b) acidul ribonucleic (ARN), ce conŃine riboză. Unitatea chimică structurală de bază a acizilor nucleici este reprezentată de nucleotidă, formată dintr-o bază azotată (purinică sau pirimidinică), o pentoză (β-deoxiriboza sau βriboza) şi radicalul acidului ortofosforic (-PO3H2).

____________________________________________________________________________________________________________________________________________

64

.

Biochimie horticolă

Toate aceste componente structurale sunt legate covalent în ordinea: bază azotatăpentoză-fosfat. Bazele azotate pirimidinice sunt reprezentate de adenină şi guanină, care intră atât în structura ADN, cât şi a ARN, în timp de bazele azotate purinice sunt reprezentate de citozină (în structura ADN şi ARN), timină (prezentă doar în structura ADN) şi uracil (prezentă doar în structura ARN). Baze pirimidinice Adenina

Guanina

Baze purinice Citozina

Timina

Uracil

Nucleozidele sunt formate dintr-o pentoză şi bază azotată caracteristică se găsesc în celule esterificate cu una, două sau trei grupări fosfat, formând astfel un nucleozid monofosfat (NMP), un nucleozid difosfat (NDP) sau un nucleozid trifosfat (NTP). Prin urmare, nucleotidele pot fi definite ca esteri fosforici ai nucleozidelor, care poartă diverse denumiri în funcŃie de natura bazei azotate şi natura pentozei..

Astfel în cazul adenozinei, nucleozidul rezultat din condensarea adeninei cu riboza, se formează prin esterificare cu acidul fosforic nucleotidele: adenozin 5’-monofosfat (AMP), adenozin 5’-difosfat (ADP) şi adenozin 5’-trifosfat (ATP), iar în cazul condensării cu ____________________________________________________________________________________________________________________________________________

65

.

Biochimie horticolă

deoxiriboza şi acidul fosforic: dAMP, dADP şi dATP. SemnificaŃia biochimică a ATP, ADP şi AMP este extrem de importantă, deoarece aceste nucleotide participă la procesele de formare, conservare şi utilizare a energiei metabolice (motiv pentru care se mai numesc şi compuşi macroergici) şi acŃionează ca substanŃe donatoare sau acceptoare de grupări fosfat în diferite reacŃii metabolice. Dintre ele ATP-ul este compusul macroergic universal al materiei vii, ce poate rezulta atât în procesul de fotofosforilare caracteristic fazei de lumină a fotosintezei, transformând energia solară în energie biochimică, cât şi în procesul de respiraŃie din biodegradarea substanŃelor organice de rezervă. Prin hidroliza enzimatică a ATP-ului, în prezenŃa ATP-azei, se eliberează între 7 şi 14 kcal/mol, în funcŃie de numărul de legături macroergice desfăcute, energie necesară reacŃiilor metabolice: ATP + H2O → ADP + Pi ATP + H2O → AMP + PPi

∆G˚ = −30.5 kJ/mol (−7.3 kcal/mol) ∆G˚ = −45.6 kJ/mol (−10.9 kcal/mol), însă în condiŃii

celulare tipice, ∆G este aproximativ −57 kJ/mol (−14 kcal/mol). Producerea ATP-ului se realizează prin concentrarea protonilor în lumenul membranei interne mitocondriale sau a cloroplastului, care generează la trecerea acestora prin ATPsintază forŃa necesară sintezei ATP-ului din ADP şi Pi (fosfor anorganic).

5.2. Structura, rolul şi proprietăŃile ADN Structura primară a ADN este tipul, numărul şi secvenŃa de baze azotate constituente ale nucleotidelor. Acestea (d-AMP, d-GMP, d-CMP şi d-TMP) se unesc printr-o legătură fosfodiesterică între radicalul fosforic care esterifică gruparea –OH din poziŃia 5’ a deoxiribozei din molecula unui nucleotid şi gruparea –OH din poziŃia 3’ a deoxiribozei aparŃinând nucleotidului adiacent. Se realizează astfel o structură simetrică 3’→ 5’, în care nucleotidul terminal are gruparea hidroxil de la carbonul 3’liberă şi gruparea hidroxil de la carbonul 5’ fosforilată. S-a demonstrat că într-o moleculă de ADN, indiferent de specie, suma bazelor purinice (A+G) este egală cu suma bazelor pirimidinice (T+C), iar rapoartele A/T şi G/T sunt aproximativ egale cu 1, datorită complementarităŃii bazelor azotate care pot realiza perechi A=T şi G≡C, cu ajutorul legăturilor de hidrogen. Structura secundară reprezintă organizarea în spaŃiu, respectiv configuraŃia tridimensională a ADN.

____________________________________________________________________________________________________________________________________________

66

.

Biochimie horticolă

Pe baza datelor experimentale obŃinute prin metoda difracŃiei cu raze X, Watson şi Crick au elaborat modelul dublu-helix al ADN-ului, care se caracterizează prin următoarele: - este constituit din două catene polinucleotidice care se răsucesc în jurul unui ax comun, având forma unei spirale duble orientate spre dreapta, - catenele polinucleotidice sunt orientate antiparalel (respectiv, o catenă este orientată pe direcŃia 5’→3’, iar cealaltă pe direcŃia 3’→5’), fiind stabilizate prin legăturile de hidrogen dintre bazele azotate complementare (A=T şi G≡C) şi prin interacŃiuni van der Waals între baze azotate vecine dintr-un lanŃ polinucleotidic, - bazele azotate purinice şi pirimidinice sunt orientate spre interiorul spiralei, creând un mediu hidrofob, iar radicalii fosforici şi deoxiriboza sunt orientate spre exterior creând un mediu hidrofil, - o tură completă a dublu helixului are diametrul de 20 Ǻ, lungimea de 34 Ǻ şi conŃine 10 perechi de baze azotate, - datorită perechilor de baze azotate fiecare din cele două catene polinucleotidice devine replică complementară a celeilalte, - succesiunea nucleotidelor stochează informaŃia genetică care se transmite genereŃiei următoare, ____________________________________________________________________________________________________________________________________________

67

.

Biochimie horticolă

- raportul molar A+T/G+C este un indice caracteristic fiecărei specii (în general este supraunitar la animale şi plante, iar la bacterii este cuprins între 0,36-2,70), - se cunosc trei forme similare de ADN – A, B şi Z – forma B fiind biologic activă. În cromozomii celuleor procariote şi eucariote, ADN-ul este „împachetat” foarte compact, macromoleculele prezentând un aspect pliat. Această structură superâncolăcită este mult mai bogată în energie liberă şi presupune disocierea legăturilor de hidrogen şi deschiderea dublului helix în momentul transcripŃiei într-o mică regiune a macromoleculei. Localizarea intracelulară a ADN La plante aproximativ 98% din totalul ADN se află localizat în nucleu (ADN nuclear), unde se află cuplat cu proteine bazice (histone), formând cromatina. La nivelul plastidelor şi mitocondriilor se află câte o moleculă de ADN de tip procariot, dublu catenar superînfăşurat, care detine informaŃia genetică necesară sintezei unor proteine proprii. ProprietăŃile generale ale ADN a)

Datorită existenŃei bazelor azotate, ADN absoarbe puternic radiaŃiile din domeniul

ultraviolet, având un maxim de absorbŃie la 260nm, însă mai mică decât a bazelor azotate individuale (efect hipocrom = demascare a bazelor azotate). b) La temperaturi de 80-90 °C macromolecula de ADN suferă un proces de denaturare care presupune separarea celor două catene, scăderea vâscozităŃii, a masei moleculare şi activităŃii optice, dar creşterea absorbŃiei în domeniul UV (efect hipercrom) datorită desfacerii dublelor şi triplelor legături dintre bazele azotate. c) Răcirea lentă a soluŃiei de ADN denaturat determină recombinarea celor două catene complementare polinucleotidice, reconstituind structura bicatenară anterioară, cu conservarea proprietăŃilor biologice ale acestora. Procesul se numeşte renaturare sau normalizare. Renaturarea stă la baza procesului de hibridizare, în care una dintre catenele despiralizate ale ADN-ului denaturat termic se poate recombina, pentru scurt timp, cu o catenă de ARN, rezultând o moleculă hibridă ADN-ARN. d) În prezenŃa alcoolului concentrat macromelculele de ADN precipită, aceasta proprietate stand la baza procedeelor de separarii şi purificare a acestuia din materialul vegetal. e) Biodegradarea moleculelor de ADN se poate realiza cu ajutorul unor endonucleaze, enzime

care

acŃionează

în

interiorul

catenelor

polinucleotidice

formând

oligodeoxiribonucleotide. FuncŃiile biologice ale ADN


ADN constituie baza moleculară a conservării şi transmiterii din generaŃie în generaŃie a informaŃiei genetice;

____________________________________________________________________________________________________________________________________________

68

.

Biochimie horticolă




Asigură şi controlează sinteza proteinelor;




Asigură diferenŃierea şi reglarea celulară, precum şi constanŃa replicării celulare;




Reprezintă baza moleculară a mutaŃiilor genetice naturale sau induse. 5.3. Structura, clasificarea şi rolul ARN Structura primară a ARN este reprezentată printr-o singură catenă polinucleotidică,

constituită dintr-un număr variabil de unităŃi structurale fundamentale, numite ribonucleotide. Fiecare ribonucleotid este constituit dintr-o pentoză – riboza, o bază azotată purinică (citozină sau uracil) sau pirimidinică (adenină sau guanină) şi radicalul acidului ortofosforic (-PO3H2). Cele 4 ribonucleotide (AMP, GMP, CMP şi UMP) sunt dispuse într-o secvenŃă specifică prin stabilirea de legături de legături fosfodiesterice 3’→5’ între ele.

Localizare, tipuri de ARN şi funcŃiile lor ARN se găseşte îndeosebi în nucleu, dar şi în citoplasmă, plastide şi mitocondrii. Fiecare celulă include cel puŃin trei tipuri majore de ARN: a) ARN ribozomal (ARNr) este localizat în cantitatea cea mai mare în ribozomi, unde dormează împreună cu proteinele complexe nucleoproteice. Este implicat în biosinteza proteinelor citoplasmatice, mitocondriale sau plastidiale. b) ARN de transport (ARNt) sau ARN solubil (ARNs) reprezintă 15% din totalul ARN din celule şi este localizat în citosol, matricea mitocondrială sau plastidiană. El leagă specific fiecare din cei aproximativ 20 de aminoacizi care intră în structura proteinelor (fiind forma lor de transport) şi îi transferă la nivelul ribozomilor. c) ARN mesager (ARNm) sau ARN de informaŃie (ARNi) reprezintă 2-4% din totalul ARN celular şi este mesagerul informaŃiei din ADN-ul nuclear, mitocondrial sau plastidian. ____________________________________________________________________________________________________________________________________________

69

.

Biochimie horticolă

Fiecare moleculă de ARNm determină biosinteza unei singure molecule de proteină, pe baza informaŃiei transmise de structura ADN, în procesul de transcripŃie şi translaŃie. Autoevaluare 1. Structura nucleotidei. 2. Structura şi semnificaŃia biochimică a nucleotidelor adenozinei. 3. Structura, rolul şi proprietăŃile ADN. 4. Structura, clasificarea şi rolul ARN. 5. Localizarea acizilor nucleici. Bibliografie selectivă 1. 2. 3. 4. 6. 5.

6. 7. 8.

Berg, J.M., Tymoczko, J.L., Stryer, L. 2003. Biochemie. 5. Auflage. Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg – Berlin , ISBN 3-8274-1303-6 Bodea, C. 1964. Tratat de biochimie vegetală. Partea I. Fitochimie. Vol.I. Ed Academiei RPR. Burnea, I., Popescu, I., NeamŃu, G., Stancu, E., Lazăr, Şt. 1977. Chimie şi biochimie vegetală. EDP Bucureşti. Burzo, I., Voican, V., Dobrescu, A., Delian, E., Bădulescu, L. 1999. Curs de Fiziologia plantelor. AMC USAMV Bucureşti. Burzo, I., Dobrescu, A., Bădulescu, L., Mihăescu, D., Bălan, D. - Fiziologia plantelor, Volumul VIII - SubstanŃele utile din plante (2005) Ed. Elisavaros Bucureşti Burzo, I., Delian, E., Dobrescu, A., Voican, V., Bădulescu, L. - Fiziologia plantelor de cultură - Volumul I Procesele fiziologice din plantele de cultură, ediŃie îmbunătăŃită, (2004), Ed. Ceres Bucureşti Gherghi, A., Burzo, I., Bibicu, M., Mărgineanu, L., Bădulescu, L. 2001. Biochimia şi fiziologia legumelor şi fructelor. Ed. II-a revăzută şi completată. Ed. Academiei Române. Ionescu, M. 1970. Biochimia agricolă. Ed. Ceres Bucureşti. Lehninger, A.L. 1987. Biochimie. Vol.1. Ed. Tehnică Bucureşti. Voet, D., Voet, J.G. 2004. Biochemistry. 3. Auflage. John Wiley & Sons Inc., London, ISBN 0-471-39223-5.

____________________________________________________________________________________________________________________________________________

70

.

Biochimie horticolă

CAPITOLUL 6. VITAMINE Cuvinte cheie: vitamine hidrosolubile, vitamine liposolubile, acid ascorbic, complexul de vitamine B, filochinona, mioinozitol, vitamina E, conŃinut de vitamine. Rezumat Vitaminele sunt compuşi organici care participă la procesele anabolice şi catabolice din legume şi fructe formând numeroase sisteme oxidoreducatoare prin care se regleaza potentialul redox celular; au rol de activatori enzimatici şi participă în procesele de transport de electroni. De asemenea, deŃin rol de biocatalizatori şi constituie direct sau indirect coenzime ale altor sisteme enzimatice importante. De exemplu, în compoziŃia cocarboxilazei intră vitamina B1; în diaforază, vitamina B2; în codehidrazele NAD+ şi NADP+, nicotinamida; în codecarboxilaza aminoacizilor, vitamina B6, iar în coenzima A, acidul pantotenic. Vitaminele sunt indispensabile întreŃinerii şi dezvoltării organismului uman care nu le poate sintetiza în totalitate şi ca atare este obligat să le preia din lumea vegetală. Lipsa sau insuficienŃa acestora în organismul uman determină modificări metabolice care se evidenŃiază prin avitaminoze.

Vitaminele identificate în plante sunt atât vitamine hidrosolubile, cum sunt vitaminele complexului B, vitamina C, mioinzitolul, rutina, cât şi liposolubile, ca vitaminele E şi K. Vitaminele sunt denumite şi după natura lor chimică (acid ascorbic, filochinonă, nicotinamidă etc). sau după bolile pe care le poate combate (antiscorbutică, antihemoragică, antipelagroasă. 6.1. Vitamine hidrosolubile - structură, clasificare şi rol biochimic Acidul L-ascorbic (vitamina C) este principala vitamina sintetizată de plante. Biosinteza acidului L-ascorbic are loc în Ńesuturile plantelor printr-o succesiune de reacŃii fotochimice, plecând de la D-glucoză sau D-galactoză. Acest proces se desfăşoară în mitocondrii şi parŃial în fracŃiunile microzomale.ConŃinutul în acid ascorbic al legumelor şi fructelor variază în funcŃie de specie, soi şi condiŃii agropedoclimatice între 3,0 mg/100 g (alune) şi 139 mg/100 g (ardei).

ImportanŃa acidului ascorbic constă în faptul că reprezintă un cofactor enzimatic, care contribuie la descompunerea radicalilor liberi şi participă la reacŃiile de oxido-reducere din organism, prin trecerea de la acid ascorbic, la acid dehidroascorbic. În lipsa vitaminei C, organismele animale sunt afectate de scorbut. Vitaminele complexului B Tiamina (vitamina B1) se sintetizează în frunzele plantelor dintr-un compus pirimidinic şi unul tiazolic. ____________________________________________________________________________________________________________________________________________

71

.

Biochimie horticolă

Tiamina este denumită şi aneurină datorită activităŃii sale aneurinice. CarenŃa acestei vitamine determină lipsa apetitului şi oboseală musculară. În Ńesuturile vegetale se găseşte în cantităŃi ce variază între 0,01 şi 0,09 mg/100 g Ńesut. Principalele vitamine din legume şi fructe Denumirea Retinol (vitamina A) Acidul L-ascorbic (vitamina C)

Formula chimică O

HOCH2 CH OH

O

H OH

OH

Tiamina (vitamina B1)

CH2

N H3C

N

H3CH3C-

Piridoxina (Vitamina B6)

H3C

OH

Acidul folic (vitamina B9)

O

H2N O

N

COOH

N

N N

CH2CH2COOH

N NH

CH

CH

NH

CH

CH2

C

CH2

CH2 S

CH2

CH2

COOH

O CH3

O

Mioinozitolul

NH

N

CH3 HOCH2 C CHOHCONHCH2CH2COOH CH3 CH2OH HO CH2OH

Acidul pantotenic (vitamina B5)

Filochinona (vitamina K1)

CH3 CH2-CH2-OH

NH2 S CH2-(CHOH)3-CH2OH N N O

Riboflavina (vitamina B2)

Biotina (vitamina H)

N

CH3

CH3

CH3

CH3 CH2-CH=C-(CH2)3-CH-(CH2)3-CH-(CH2)3-CH CH3 OH OH HO OH OH OH -COONH2

Nicotinamida (Vitamina PP) N

Rutina (vitamina PP)

HO

O

OH O

OH O

OH

rutinozã

____________________________________________________________________________________________________________________________________________

72

.

Biochimie horticolă

CH3 CH3 CH3 CH3 O (CH2)3-CH-(CH2)3 -CH-(CH2)3-CH CH3

Tocoferolul (vitamina E) H3C HO CH3

Riboflavina (vitamina B2) se găseşte în toate legumele şi fructele, liberă sau sub formă de coenzime: riboflavin-5'-fosfat şi riboflavinadenindinucleotid. Este un important cofactor enzimatic fiind frecvent în Ńesuturi ca flavinadenindinucleotid. Biosinteza riboflavinei este în ansamblu puŃin elucidată. În mod cert însă, nucleele pirimidinice şi pirazinice ale riboflavinei se sintetizează din precursori purinici prin mecanisme similare cu cele ale biosintezei unor derivaŃi ai acizilor nucleici. ConŃinutul în riboflavină din legume şi fructe variază între 0,02 şi 0,62 mg/100g. Cele mai bogate produse horticole în riboflavină sunt migdalele, alunele, ciupercile şi pătrunjelul. Riboflavina are un rol important în reacŃiile de oxido – reducere şi previne apariŃia la oameni a leziunilor cornei şi a stomatitei angulare. Piridoxina (vitamina B6) este denumită şi adenină. În afară de piridoxină (alcool), au rol de vitamine B6 şi alte două substanŃe şi anume: piridoxalul (aldehidă) şi piridoxamina (amină primară). Biosinteza piridoxinei din precursori aciclici nu este încă bine cunoscută; se pare însă că întregul proces de biosinteză parcurge cel puŃin 6-7 transformări distincte. Unele date sugerează că precursorul iniŃial ar putea fi 3-fosfoserina (Dempsey, 1969), glicina sau glicolaldehida (Brown şi Reynolds, 1963). ConŃinutul în piridoxină din legume şi fructe variază între 0,01 şi 1,19 mg/100g, valorile cele mai mari determinându-se în nuci, arahide, alune, fasole boabe, ardei verde, castane etc. Piridoxina şi piridoxamina, sub forma de 5-fosfaŃi funcŃionează ca grupe prostetice în numeroase sisteme enzimatice (transaminaza, codecarboxilaza etc). Piridoxina participă în procesele biochimice ca o coenzimă, şi anume, intervine în transmiterea, decarboxilarea şi deshidratarea aminoacizilor. În caz de carenŃă determină apariŃia la oameni a unei dermatite denumită şi acrodinie. Nicotinamida (vitamina PP) sau niacinamida, este una din cele mai stabile vitamine care exista în alimente sub forma de acid, amida sau coenzima NAD şi NADP. Biosinteza nicotinamidei în plante nu este încă bine precizată. Cercetările cu atomi marcaŃi au dovedit că se poate forma din degradarea oxidativă a triptofanului. Nicotinamida este răspândită în legume şi fructe în cantităŃi ce variază între 0,17 şi 15,3 mg/ 100 g. Nicotinamida intră în compoziŃia codehidrazelor I şi II care joacă un rol vital în metabolismul celular. În organismele animale are acŃiune antipelagroasă. ____________________________________________________________________________________________________________________________________________

73

.

Biochimie horticolă

ConŃinutul mediu în principalele vitamine ale unor legume şi fructe (mg/100g produs proaspăt) (Souci şi colab., 1981) Specia

Tiamina

Riboflavina

Piridoxina

Nicotinamidă

Acid folic

Acid Acid FiloTocoferol Biotina pantotenic ascorbic chinona

1 Ardei verde Arahide Cartofi CastraveŃi Ceapă Ciuperci Conopidă Fasole boabe Fasole verde Gulii Mazăre Morcovi Păstârnac Pătrunjel Pepeni Praz Ridichi Ridichi negre Salată Spanac Sparanghel Sfeclă roşie Tomate łelina Usturoi Varză albă Varză roşie Vinete Afine Agrişe Alune Banane Caise Castane Căpşuni Cireşe Coacăze negre Grapefruit Gutui Lămâi Mandarine Măsline Mere Migdale Mure Nuci Pere Piersici Struguri Portocale Prune Vişine Zmeură

2 0,06 0,90 0,11 0,02 0,03 0,10 0,30 0,46

3 0,05 0,15 0,05 0,03 0,03 0,44 0,10 0,16

4 0,27 0,30 0,21 0,03 0,13 0,06 0,28

5 0,33 15,30 1,20 0,20 0,20 5,20 0,60 2,10

6 0,02 0,05 0,01 0,02 0,02 0,05 0,13

7 0,23 2,60 0,40 0,24 0,17 0,10 1,01 0,98

8 139 0 17 11 8 5 70 3

9 0,65 20,20 0,09 0,20 0,20 0,08 0,09 2,30

10 0,05 0,01 0,02 0,01 -

11 0,034 0,001 0,016 0,001 -

0.08

0,12

0,28

0,60

0,04

0,50

20

0,28

0,02

0,007

0,05 0,30 0,07 0,08 0,12 0,05 0,10 0,03 0,03

0,05 0,16 0,05 0,13 0,08 0,06 0,06 0,03 0,03

0,12 0,16 0,09 0,11 0,20 0,11 0,25 0,06 0,06

1,80 2,40 0,60 0,09 2,00 0,05 0,50 0,20 0,40

0,01 0,03 0,01 0,06 0,04 0,20 0,02

0,10 0,72 0,27 0,50 0,03 0,40 0,18 0,18

63 25 8 18 35 9 30 29 26

3,00 0,70 1,00 1,80 0,10 2,00 0

0,02 0,08 -

0,005 0,005 -

0,06 0,11 0,11 0,02 0,06 0,04 0,20 0,05 0,07 0,04 0,02 0,02 0,39 0,05 0,04 0,20 0,03 0,04 0,05

0,08 0,23 0,12 0,04 0,04 0,07 0,08 0,04 0,05 0,05 0,02 0,02 0,21 0,06 0,05 0,21 0,05 0,04 0,04

0,05 0,22 0,06 0,05 0,10 0,20 0,11 0,15 0,09 0,06 0,02 0,45 0,37 0,07 0,35 0,06 0,05 0,08

0,30 0,60 1,00 0,20 0,50 0,90 0,60 0,32 0,43 0,60 0,40 0,25 1,35 0,65 0,77 0,87 0,51 0,27 0,28

0,04 0,08 0,09 0,09 0,04 0,01 0,08 0,04 0,03 0,01 0,07 0,02 0,02 0,01 -

0,11 0,25 0,62 0,12 0,31 0,26 0,32 0,23 0,16 0,20 1,15 0,23 0,29 0,50 0,30 0,19 0,40

13 52 21 10 24 8 14 46 50 5 22 35 3 12 9 27 64 15 177

0,39 2,50 2,50 0,10 0,49 2,60 0,10 0,02 2,50 0,03 1,00 28,00 0,45 0,50 7,50 0,22 0,27 1,00

0,20 0,35 0,04 0,63 0,10 0,15 1,50 0,01 -

0,002 0,007 0,002 0,004 0,002 0,001 0,005 0,002 0,004 0,002

0,05 0,03 0,05 0,07 0,03 0,04 0,22 0,03 0,34 0,03 0,03 0,05 0,08 0,07 0,05 0,02

0,03 0,03 0,02 0,02 0,08 0,03 0,62 0,04 0,12 0,04 0,05 0,03 0,04 0,04 0,06 0,05

0,01 0,06 0,07 0,02 0,05 0,06 0,05 0,87 0,02 0,03 0,07 0,05 0,04 0,08 0,08

0,20 0,20 0,17 0,20 0,50 0,30 4,18 0,40 1,00 0,22 0,85 0,23 0,30 0,44 0,40 0,30

0,01 0,01 0,02 0,05 0,08 0,01 0,01 0,02 -

0,21 0,27 0,02 0,10

45 13 53 31 12

0,25 0,80 0,57

-

0,22 0,82 0,06 0,14 0,06 0,24 0,18 0,30

17 3 5 10 4 50 5 12 15

9,70 24,70 0,43 0,60 0,24 0,80 1,40

-

0,004 0,020 0,002 0,002 -

____________________________________________________________________________________________________________________________________________

74

.

Biochimie horticolă

Acidul pantotenic (vitamina B5) se găseşte în toate legumele şi fructele liber sau combinat, sub forma coenzimei A. Biosinteza acidului pantotenic se bazează pe transformarea acidului α-cetoizovaleric în acid pantoic şi β-alanina. Printr-o reacŃie enzimatică în prezenŃa ATP, Mg2+ şi K+, cei doi compuşi chimici sunt uniŃi într-o moleculă de acid pantotenic. ConŃinutul în acid pantotenic al produselor horticole variază între 0,02 şi 2,6 mg/100g. S-au dovedit a fi bogate în acid pantotenic arahidele, ciupercile, conopida, alunele, nucile, fasolea boabe, mazărea boabe, sparanghelul şi migdalele. Acidul pantotenic este o componentă a coenzimei A sau coenzima acetilării şi acilării (Bodea şi colab., 1964). Acidul folic, denumit şi acidul pteroilglutamic, se găseşte în legume şi fructe în cantităŃi foarte mici, alături de alte vitamine ale complexului B, atât sub formă liberă, cât şi conjugată cu un număr mare de resturi de acid glutamic. Biosinteza acidului folic implică participarea unor purine sau purin-nucleotide utilizate în lanŃul de reacŃii enzimatice (Brenner si Lenthardt, 1961). ConŃinutul în acid folic din legume şi fructe variază între 0,01 şi 0,13 mg/100g. Cel mai ridicat conŃinut s-a determinat în seminŃele de fasole, în sparanghel, sfecla roşie, varza albă, alune, nuci, arahide, conopidă şi migdale. Participă în metabolismul purinelor, ribofavinei şi al flavinelor. Acidul folic este o substanŃă cu rol de vitamină, care în caz de carenŃă determină anemia. Biotina (vitamina H), cunoscută şi sub denumirea de Bios II b sau coenzima R, este un factor alimentar indispensabil. Biosinteza biotinei nu este elucidată până în prezent. Au fost emise mai multe ipoteze privind reacŃiile de biosinteză a acestei vitamine; nici una nu poate fi însă considerată ca valabilă în întregime. Se apreciază că biotina este sintetizată din acid pimelic. Biotina este mai puŃin răspândită în Ńesuturile vegetale (0,001-1,9 mg/100g), o cantitate mai mare fiind determinată în salată, soia, arahide şi nuci. Se presupune că biotina participă ca o coenzimă în decarboxilarea acizilor α-cetonici, în dezaminarea aminoacizilor, în sinteza acidului asparagic etc. În caz de carenŃă, determină la om şi animale simptome şi căderea părului. Mioinozitolul, denumit şi mezoinozitol sau Bios I, este un factor de creştere şi se găseşte în numeroase Ńesuturi vegetale, atât în stare liberă, dar mai ales esterificat cu acid fosforic. Biosinteza mezoinozitolului are ca punct de plecare hidroliza fitinei.

____________________________________________________________________________________________________________________________________________

75

.

Biochimie horticolă

În cantităŃi mai mari s-a identificat în seminŃele de fasole şi mazăre, precum şi în numeroase alte seminŃe, sub formă de esteri cu 6 molecule de acid fosforic (acid fitic). Rutina (vitamina P) acŃionează asupra permeabilităŃii capilarelor sanguine. Alături de rutină, au rol de vitamina P şi o serie de glicozide naturale, aparŃinând flavonelor ca: hesperidina, quercetina, esculina etc. 6.2. Vitamine liposolubile - structură, clasificare şi rol biochimic Tocoferolii (vitamina E) reprezintă un grup de substanŃe înrudite care sunt derivaŃi metilaŃi ai tocolului. Au fost identificaŃi în natură şi izolaŃi prin distilare moleculară sau cromatografie un număr de 7 tocoferoli. Cei mai raspândiŃi sunt α-, β-, χ- şi δ- tocoferolii. 3

CH CH O (CH -CH -CH -CH) -CH

3

CH3 H3C

O

CH

CH3 CH3 (CH2-CH2-CH2-CH)3-CH3

3

2

HO

HO

2

2

3

3

3

CH

CH3

β-Tocoferol

α-Tocoferol

3 3

CH

3 3

CH 3

H C

O

CH CH (CH -CH -CH -CH) -CH 2

2

2

3

CH CH O (CH -CH -CH -CH) -CH 3

2

3

2

2

3

3

3

HO

HO

δ-Tocoferol

γ -Tocoferol

Sunt răspândiŃi în seminŃele plantelor oleaginoase sau de cereale. Au proprietăŃi antioxidante, inhibând biodegradarea vitaminei A şi a acizilor graşi din membrane de către radicalii liberi. Dintre aceştia, activitatea cea mai ridicată o are α-tocoferolul (β-, χ- si δtocoferolii prezintă o activitate cu 40%, 20% şi respectiv 1% mai mică faŃă de α-tocoferol. Filochinona (vitamina K1) are acŃiune antihemoragică şi este raspândită în frunzele plantelor verzi (spanac, varza). Are rol în fosforilarile oxidative ca transportor de electroni între două coenzime şi catalizează generarea legăturilor fosfat, bogate în energie. ConŃinutul în vitamina K1 din legume şi fructe variază între 0,01 şi 1,5 mg/100g. Koivu şi colab. (1997) au constatat că legumele din Finlanda au un conŃinut mediu de filochinonă ce depăşeşte 100 µg/100 g. Pătrunjelul conŃine 360 µg/100 g, în timp ce legumele de seră şi fructele conŃin în medie 20 µg/100 g. 6.3. Modificarea conŃinutului în vitamine în perioada creşterii şi maturării legumelor şi fructelor Pe parcursul perioadei de creştere şi maturare a legumelor şi fructelor are loc biosinteza vitaminelor, proces complex, influenŃat de condiŃiile pedoclimatice şi de ____________________________________________________________________________________________________________________________________________

76

.

Biochimie horticolă

tehnologiile de cultură. (Gherghi şi colab., 2001). Astfel, prin aplicarea îngrăşămintelor creşte conŃinutul în acid L-ascorbic, tiamină şi riboflavină din legume şi fructe. Acelaşi efect îl au şi tratamentele prerecoltă cu acid succinic şi uree asupra conŃinutului în acid L-ascorbic din cartofi. O acŃiune contrară, de scădere a cantităŃii de acid L-ascorbic din legume şi fructe se constată prin aplicarea erbicidelor de tip prometrin. ConŃinutul în tocoferoli din ardei creşte ca urmare a aplicării îngrăşămintelor azotoase sub formă de azotat de amoniu. La legume, îndeosebi la cele frunzoase, în perioada de creştere se produce o acumulare de vitamine B, E, K, acid folic şi niacina. Frunzele de salata, varză, spanac în creştere au un conŃinut mai ridicat în tiamină,

riboflavonă şi acid ascorbic, decât frunzele mature. La

strugurii din soiul Merlot, în perioada de maturare (august-octombrie) conŃinutul în tiamină, nicotinamidă şi mezoinozitol creşte relativ constant de la 228 la 450, de la 390 la 700 şi respectiv de la 118 la 297 µg/1000 bace, în timp ce conŃinutul în riboflavină, acid pantotenic şi piridoxină, la sfârşitul lunii septembrie, prezintă un maximum de 14, 960 şi respectiv 240 µg/1000 bace, iar cel de biotină prezintă în aceeaşi lună un minimum de 1,3 µg/1000 bace. În timpul maturării merelor, se sintetizează χ-tocoferolul şi din acesta, α-tocoferolul. În perioada de sinteză a tocoferolilor creşte conŃinutul în acid linoleic, datorită efectului antioxidant pe care îl au aceştia. Tomatele cu pigmentaŃia roşie pe 10-15 % din suprafaŃă conŃin în medie 17,0 mg/100g acid ascorbic. Pe măsură ce se maturează şi coloraŃia roşie se extinde la 80-90 % din suprafaŃă, conŃinutul în acid ascorbic din tomate creşte până la circa 24,0 mg/100g. Creşterea conŃinutului în acid L-ascorbic s-a constatat şi în cazul tomatelor recoltate la maturitatea în verde şi care au fost postmaturate la temperaturi de 10°C şi de 20-22°C. În primul caz creşterea conŃinutului în acid L-ascorbic a fost de 8,1 mg/100 g, iar în cel de al, de 1,6 mg/100g. În cazul dovleceilor, acumularea acidului ascorbic are loc în faza cunoscută de dovlecel în floare, când se realizează circa 40 mg/100g. Pe măsură ce dovleceii se maturează, conŃinutul în acid ascorbic scade în medie la 23 mg/100g şi apoi la 15 mg/100g când ajung la dimensiunea caracteristică soiului. Acidul ascorbic este prezent în mere atât ca acid L-ascorbic cât şi ca acid dehidroascorbic. În perioada maturării fructelor pe pom, proporŃia de L-acid ascorbic creşte, iar cea de acid dehidroascorbic scade. În faza de pârga, în cazul merelor Jonathan, s-a stabilit un conŃinut de 10,2 mg acid ascorbic/100g, iar apoi în decurs de 18 zile, perioadă în care se realizează maturitatea de consum, conŃinutul în acid ascorbic a scăzut la 7,9 mg/100 g. Cercetările efectuate cu acid ascorbic marcat cu

14

C au demonstrat că în timpul maturării

strugurilor, acidul ascorbic este metabolizat în acid tartric.

____________________________________________________________________________________________________________________________________________

77

.

Biochimie horticolă

La soiul de prune Vinete de Italia, în faza de pârgă, conŃinutul în acid ascorbic a fost de 6,7 mg/100g, iar după 10 zile de maturare pe pom, valoarea acestuia a scazut la 5,7 mg/100g, datorită oxidării acidului ascorbic, proces în care sunt implicate oxidazele (ascorbaze şi fenolaze) sau dehidrazele care acŃionează în prezenŃa chinonelor. PrezenŃa unor compuşi ca: vitamina P, sau substanŃele tanoide au un rol protector, acestea acŃionând în sensul frânării vitezei de degradare a acidului ascorbic. Pe parcursul perioadei de păstrare, în legumele şi fructele recoltate la maturitate, are loc diminuarea continuă a cantităŃii de acid ascorbic, intensitatea scăderii acestui conŃinut fiind dependentă de specie, soi, temperatură etc. Astfel, din datele obŃinute de autori rezultă că în cazul salatei, conŃinutul în acid ascorbic a scăzut după 2 zile de păstrare la temperatura de 3°C, de la 32,2 la 22,8 mg/100g. La fasolea păstăi, după 2 zile de păstrare la temperatura de 23-25°C, conŃinutul în acid ascorbic s-a redus de la 18,8 la 12 mg/100 g. De asemenea, la merele din soiul Jonathan, după 200 de zile de păstrare la 0°C, conŃinutul în acid ascorbic a scăzut de la 7,84 la 5,70 mg/100g. Scăderea conŃinutului în acid ascorbic pe parcursul păstrării are loc şi în alte produse horticole ca: ardei, gogoşari, ceapă, morcovi, varză, caise, capşuni, cireşe, piersice, prune, struguri, vişine etc.

Cercetările efectuate cu privire la păstrarea legumelor şi fructelor în

atmosferă controlată au dovedit că în aceste condiŃii conŃinutul în acid ascorbic s-a menŃinut la un nivel mai ridicat, comparativ cu cel determinat în produsele păstrate în condiŃii frigorifice obişnuite. ConŃinutul produselor horticole în vitaminele din grupa B este relativ mai stabil şi în general, este puŃin afectat, dacă păstrarea se face la temperaturi coborâte. ConŃinutul în vitamine din produsele horticole se schimbă relativ rapid sub acŃiunea factorilor de mediu în perioada de creştere, maturare şi valorificare şi din această cauză este utilizat ca un indicator de calitate al acestor produse. Autoevaluare 1. Clasificarea vitaminelor. 2. Vitamine hidrosolubile - structură, clasificare şi rol biochimic. 3. Acidul ascorbic – structură, biosinteză şi rol biochimic. 4. Vitaminele complexului B – structură, biosinteză şi rol biochimic. 5. Vitamine liposolubile - structură, clasificare şi rol biochimic. 6. Modificarea conŃinutului de vitamine pe parcursul creşterii, maturării şi păstrării legumelor şi fructelor.

____________________________________________________________________________________________________________________________________________

78

.

Biochimie horticolă

Bibliografie selectivă 1. Berg, J.M., Tymoczko, J.L., Stryer, L. 2003. Biochemie. 5. Auflage. Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg – Berlin , ISBN 3-8274-1303-6 2. Bodea, C. 1964. Tratat de biochimie vegetală. Partea I. Fitochimie. Vol.I. Ed Academiei RPR. 3. Burnea, I., Popescu, I., NeamŃu, G., Stancu, E., Lazăr, Şt. 1977. Chimie şi biochimie vegetală. EDP Bucureşti. 4. Burzo, I., Dobrescu, A., Bădulescu, L., Mihăescu, D., Bălan, D. - Fiziologia plantelor, Volumul VIII - SubstanŃele utile din plante (2005) Ed. Elisavaros Bucureşti 5. Burzo, I., Delian, E., Dobrescu, A., Voican, V., Bădulescu, L. - Fiziologia plantelor de cultură - Volumul I Procesele fiziologice din plantele de cultură, ediŃie îmbunătăŃită, (2004), Ed. Ceres Bucureşti 6. Gherghi, A., Burzo, I., Bibicu, M., Mărgineanu, L., Bădulescu, L. 2001. Biochimia şi fiziologia legumelor şi fructelor. Ed. II-a revăzută şi completată. Ed. Academiei Române. 7. Ionescu, M. 1970. Biochimia agricolă. Ed. Ceres Bucureşti. 8. Lehninger, A.L. 1987. Biochimie. Vol.1. Ed. Tehnică Bucureşti. 9. Voet, D., Voet, J.G. 2004. Biochemistry. 3. Auflage. John Wiley & Sons Inc., London, ISBN 0-471-39223-5.

____________________________________________________________________________________________________________________________________________

79

.

Biochimie horticolă

CAPITOLUL 7. HORMONI Cuvinte cheie: hormoni stimulatori de creştere, hormoni inhibitori de creştere, hormoni de maturare, auxine, gibereline, citochinine, acid abscisic, etilena, brasinosteroizi, acid jasmonic, acid salicilic, receptori hormonali, timp de răspuns. Rezumat Hormonii vegetali sunt substanŃe bioactive cu rol specific în procesele de creştere şi maturare. Aceste substanŃe au situsuri specifice de biosinteză de unde sunt transportate în alte organe, unde îşi manifestă efectul lor caracteristic. În funcŃie de efectul lor asupra creşterii, sunt grupaŃi în substanŃe stimulatoare (auxine, gibereline, citochinine) şi substanŃe inhibitoare (acidul abscisic), iar etilena reprezintă hormonul de maturare al plantelor. Aceşti hormoni au o greutate moleculară mică care variază între 28 Da (etilenă) şi 346 Da (gibereline). Ca şi hormonii animali aceştia sunt eficace în concentraŃii foarte mici, cuprinse între 10-6 şi 10 -8 M. În afară de efectul specific pe care îl au hormonii asupra plantelor şi anume asupra procesului de creştere şi de maturare, aceştia influenŃează şi alte procese ca: dormanŃa, dominanŃa apicală, polaritatea, abscisia (căderea florilor, fructelor şi frunzelor), raspunsul plantelor la factorii de mediu biotici şi abiotici, unele mişcări ale plantelor etc. 7.1. Principalii hormoni vegetali Dintre substanŃele stimulatoare naturale, mai cunoscute sunt auxinele, giberelinele şi citochininele. În afara acestora, în legume şi fructe se formează etilena, hormonul de maturare, şi acidul abscisic, o substanŃă inhibitoare a creşterii. 7.1.1. Auxine Din punct de vedere chimic auxinele fac parte din grupa compuşilor indolici. Dintre aceştia, cel mai răspândit este acidul 3-indolil-acetic, identificat în endospermul seminŃelor de măr, piersic, fragi, coacăze negre, varză etc. În legume şi fructe au mai fost identificaŃi şi alŃi derivaŃi indolici, consideraŃi ca produşi intermediari în biosinteza acidului 3-indolil-acetic, având drept compus iniŃial triptofanul. Astfel, indolil-acetonitrilul, a fost identificat în varză, tomate şi struguri, acidul-3-indolil carboxilic, în tomate şi conopidă; acidul-3-indolil-acetilaspargic, în mac, iar acidul-3-indolil-propionic şi aldehida-3-indolilacetică, în conopidă. -CH2-COOH N H

Acid-3-indolil acetic

-CH2-CN N H

-CH2-C

O H

N H

Indolil acetonitril Aldehidă-3-indolacetică

Auxinele se găsesc sub formă liberă sau conjugate cu diferiŃi compuşi cu greutate moleculară mică formând esteri ai acidului indolil acetic cu glucoza sau mioinozitolul, compuşi conjugaŃi cu amidele (aspartat) sau combinaŃii cu compuşi cu greutate moleculară ____________________________________________________________________________________________________________________________________________

80

.

Biochimie horticolă

mare aşa cum sunt combinaŃiile acid indolil acetic-glucani sau acid indolil aceticglicoproteine care au fost identificate în seminŃele cerealelor. Cea mai mare cantitate de auxine se găseşte în situsurile de biosinteză, dar în cantităŃi mai mici se găsesc în toate organele plantelor. Auxina se biosintetizează din aminoacidul triptofan, dar există şi specii de plante la care precursorul a fost triptamina. Biosinteza acestui hormon de creştere are loc în Ńesuturile meristematice, în organele tinere ale plantelor, în seminŃe, ovarul florilor, în pistil şi în stamine. Giberelinele stimulează sinteza auxinei, în timp ce citochininele inhibă acest proces. Transportul auxinei se face prin floem şi este polar, adică se face într-o singură direcŃie, bazipetal. Acest transport unidirecŃional se datorează faptului că în plasmalema din partea bazală a celulelor se găsesc transportori de auxină-anioni. Modificarea ritmului de transport a auxinei poate să rezulte din lipsa receptorilor specifici, modificarea numărului receptorilor sau a afinităŃii acestora. Principalele funcŃii ale auxinelor constau în: - Stimularea procesului de creştere în concentraŃii mici şi inhibarea acestui proces în cazul concentraŃiilor mari. - Determină procesul de dominanŃă apicală. - Stimulează formarea fructelor partenocarpice la unele specii de plante. - Determină polaritatea la plante. - Stimulează procesul de ieşire din dormanŃă. - Induc fototropismul şi geotropismul la plante. 7.1.2. Gibereline În această grupă de substanŃe se includ diterpenoidele ciclice care au un sistem tetraciclic denumit giban şi au caracter acid fapt pentru care sunt notate cu iniŃialele GA 1..... GA 125. Până în prezent au fost identificate peste 100 de gibereline dintre care cea mai cunoscută este acidul giberelic. Dintre acestea mai mult 60 gibereline se găsesc în plantele supeioare. Giberelinele diferă între ele prin modul de amplasare a grupărilor hidroxilice, metilice şi carboxilice laterale.

O

O

CH3

H

NHCH2CH C-CH2OH OH

C HO CH3 COOH Acid giberelic

H3C CH3

N N

C

OH

CH2 N Zeatina

N H

O

COOH

CH3 Acidul abscisic

____________________________________________________________________________________________________________________________________________

81

.

Biochimie horticolă

Giberelinele se găsesc în stare liberă, dar în unele seminŃe se găsesc şi sub formă glicozidică. ConŃinutul maxim de gibereline a fost determinat în seminŃele mature unde concentraŃia acestora este de circa 1.000 de ori mai mare comparativ cu celelalte Ńesuturi ale plantelor. ConŃinutul de gibereline din mere are un maximum după 60 de zile de la înflorit, iar în struguri, după 40 - 45 zile de la fecundare. Giberelinele se biosintetizează din acetil coenzima A, în ciclul mevalonat, în frunzele tinere, mugurii apicali şi în seminŃele în curs de germinare. Sinteza giberelinelor în rădăcini este incertă. Primele etape ale procesului de biosinteză, până la formarea ent-kaurenului au loc în proplastide, sinteza aldehidei GA12 are loc în reticulul endoplasmatic, iar interconversia giberelinelor are loc în citoplasmă. Giberelinele biosintetizate în frunzele tinere se transportă bazipetal prin floem, dar şi acropetal prin xilem. Giberelinele au fost identificate în seminŃele mature de fasole, lupin, mazăre, măr, etc., având o concentraŃie mai ridicată în endosperm şi embrion. Activitatea biologică a giberelinelor variază cu tipul acestora, fiind mai active cele 3β-hidroxilate. Principalele funcŃii ale giberelinelor sunt: - Stimulează creşterea tulpinii, germinarea seminŃelor, expresia sexelor, -Induc sinteza de novo a amilazelor şi stimulează procesul de germinare a seminŃelor. - Au efect antagonist cu auxinele în procesul de dominanŃă apicală. - Stimulează ieşirea din procesul de dormanŃă. - Induc înflorirea la unele plante de zi lungă sau care necesită vernalizare. - Întârzie senescenŃa frunzelor şi fructelor. - Determină formarea de fructe partenocarpice la unele specii de plante. 7.1.3. Citochinine Identificate în endospermul seminŃelor din fructele nematurate, citochininele sunt compuşi substituiŃi ai adeninei, care stimulează procesul de diviziune celulară fiind puse în evidenŃă în urmă cu trei decenii. Principalele citochinine sunt zeatina şi kinetina. Dintre citochininele izolate din legume şi fructe pot fi menŃionate: kinetina răspândită în citrice, zeatina în pepeni, mere şi pere, difenilureea şi zeatinribozidul în nucile de cocos. În meristemul apical al rădăcinii şi al tulpinii tomatelor se pot biosintetiza aceşti hormoni, translocarea citochininelor realizându-se mai ales din rădăcină către organele aeriene, prin xilem. Citochininele au ciclul biosintetic dependent de cel al acidului ribonucleic (ARN), ARNt acŃionând ca un intermediar sau ca un precursor al citochininelor libere, zeatina făcând parte din anticodon. ____________________________________________________________________________________________________________________________________________

82

.

Biochimie horticolă

Principalele funcŃii ale citochininelor sunt: - Stimulează procesul de diviziune celulară, creşterea rădăcinilor şi a frunzelor tinere. - Valoarea mare a raportului citochinine/ auxine iniŃiază creşterea rădăcinilor. - Inhibă senescenŃa frunzelor. - Stimulează germinarea seminŃelor - Au acŃiune antagonistă cu auxina în procesul de dominanŃă apicală. - Stimulează sinteza antocianilor. - Induc deschiderea stomatelor. 7.1.4. Acid abscisic Este principalul hormon vegetal ce inhibă procesul de creştere a plantelor, aparŃinând clasei sesquiterpenoidelor. Se biosintetizează în rădăcini, frunze senescente, în pericarpul bacelor la Vitis etc., în aproape toate celulele plantelor care conŃin cloroplaste sau amiloplaste. Translocarea acidului abscisic se face din rădăcină către organele aeriene acropetal prin xilem, iar acidul abscisic sintetizat în frunzele senescente se translocă bazipetal, prin floem. Se acumulează în muguri, seminŃe, bulbi, tuberculi etc. unde determină starea de dormanŃă. Principalele funcŃii ale acidului abscisic sunt: - Induce procesul de endodormanŃă. - Inhibă intrarea în vegetaŃie a seminŃelor şi mugurilor. - Inhibă procesul de creştere în condiŃii de stres hidric, asociat cu concentraŃii mari de acid abscisic. - Reglează procesul de sinteză şi acumularea a proteinelor şi a lipidelor de rezervă. - Induce toleranŃa seminŃelor la deshidratare. - Determină închiderea stomatelor hidroactiv în caz de secetă. - IniŃiază procesele de abscizie a frunzelor, florilor, fructelor. 7.1.5. Etilena (H2C = CH2) Este hormonul care stimulează procesul de maturare şi de senescenŃă, fiind biosintetizat în toate Ńesuturile plantelor. Cantitatea de etilenă produsă de Ńesuturile vegetale variază cu specia şi organul analizat, între 0,01 şi 700 ppm. În cazul unor fructe cum sunt merele, perele, caisele etc., cea mai mare cantitate de etilenă este produsă în perioada de maturare. Pentru a putea induce modificări metabolice în plante, concentraŃia etilenei trebuie să depăşească o valoare minimă de prag, care variază în limite largi: 0,1-5,0 ppm, în funcŃie de specie şi de procesul pe care îl catalizează. ____________________________________________________________________________________________________________________________________________

83

.

Biochimie horticolă

Etilena se biosintetizează din metionină, principalii intermediari fiind S-adenozil metionina (SAM) şi acidul 1-ciclopropan-1-carboxilic (ACC) în rădăcini, care este transportat prin xilem în organele aeriene, unde este convertit la etilenă. Conversia ACC-ului la etilenă are loc în mitocondrii, iar biosinteza etilenei din acizi graşi este localizată la nivelul membranelor plasmatice. Etilena fiind o hidrocarbură gazoasă este eliminată uşor în mediul ambiant, proprietate care stă la baza tratamentelor cu etilenă în celulele de postmaturare, în scopul accelerării maturării fructelor şi legumelor depozitate. Principalele funcŃii ale etilenei sunt: - Inhibă procesul de creştere. - Stimulează procesul de abscisie. - Determină modificarea intensităŃii respiraŃiei fructelor, apariŃia mai timpurie a climactericului şi, ca urmare, realizarea mai rapidă a maturităŃii de consum. - Stimulează răspunsul plantelor la acŃiunea unui factor de stres. 7.1.6. Alte substanŃe reglatoare de creştere şi maturare Brassinosteroizii au fost identificaŃi în anul 1960 în grăuncioarele de polen, iar ulterior în seminŃe şi Ńesuturile vegetative tinere. Până în prezent au fost identificaŃi 60 de brassinosteroizi, dintre care 31 au fost mai bine caracterizaŃi. Cei

mai

importanŃi

brassinosteroizi

sunt:

brassinolidul,

castasteronul,

campesteronul, teasteronul şi tifasterolul. Brassinolidul stimulează procesul de diviziune şi extensia celulară, accelerează senescenŃa frunzelor şi a cotiledoanelor, modulează răspunsul la acŃiunea factorilor de stres şi reglează expresia genelor şi cu rol stimulator asupra creşterii Ńesuturilor vegetative, inhibă creşterea rădăcinii, stimulează sinteza etilenei şi epinastia, stimulează diferenŃierea xilemului, rezistenŃa la condiŃii de mediu nefavorabile (îngheŃ, boli, la stres hidric) şi sinteza ADN-ului, ARN-ului şi proteinelor. Principalele funcŃii ale hormonilor steroizi sunt următoarele: - Hormonii brassinosteroizi determină expresia genelor care induc creşterea şi sunt implicaŃi în diferenŃierea vaselor lemnoase. - Intensifică creşterea tubului polinic. - Reorientează sensul de dispunere a microfibrilelor de celuloză. - Intensifică sinteza etilenei şi procesul de maturare a fructelor. Poliaminele alifatice sunt compuşi organici policationici, cu rol hormonal, fiind necesare pentru creşterea plantelor, respectiv pentru diviziunea celulelor, şi au rol în procesele de înflorire şi de diferenŃiere a sexelor. Principalele poliamine sunt: putresceina, spermina, spermidina şi cadaverina. ____________________________________________________________________________________________________________________________________________

84

.

Biochimie horticolă

Poliaminele se biosintetizează ca şi etilena în ciclul metioninei, precursorul acestora fiind S-adenozil metionina decarboxilată. Rolul fiziologic al poliaminelor nu este bine precizat. - Stimulează creşterea plantelor, dar au şi rolul de a stabiliza membranele plasmatice, de control a procesului de fosforilare a proteinelor nucleare, iar complexul ADN-spermină protejează ADN-ul împotriva denaturării. - Stimulează diviziunea celulelor, creşterea rădăcinilor, inducŃia florală şi stimulează formarea fructelor. - IniŃiază formarea tuberculilor. - În condiŃii de stres, poliaminele intervin în diviziunea celulară, organogeneză şi senescenŃă, în mod similar cu hormonii. Acidul jasmonic se biosintetizează în condiŃii de stres osmotic, mecanic sau ca urmare a acŃiunii elicitorilor, din acizii graşi existenŃi în membranele celulare. Produşii genelor DAD1 şi PLD sunt fosfolipaza A1 şi respectiv fosfolipaza D care catalizează reacŃiile de biodegradare a fosfolipidelor membranale, cu eliberarea acizilor graşi. Biodegradarea acizilor graşi cu formarea de hidroxiperoxizi, este catalizată de lipoxigenază, a cărei sinteză este codificată de genele LOX2. Hidroxiperoxizii acizilor graşi sunt biodegradaŃi la rândul lor de enzimele codificate de genele AOS, AOC, OPR3 şi JMT, rezultând acid jasmonic. Acidul jasmonic are rol hormonal, influenŃând numeroase procese fiziologice: - Stimulează procesul de diferenŃiere, formarea rădăcinilor adventive, întreruperea repausului vegetativ, maturarea şi senescenŃa fructelor, abscisia frunzelor, biodegradarea clorofilei, respiraŃia, biosinteza etilenei şi reglează acumularea proteinelor de rezervă în seminŃe. - Inhibă creşterea în lungime a rădăcinii, formarea micorizelor, embriogeneza, germinarea seminŃelor, formarea mugurilor floriferi, biosinteza carotenilor şi a clorofilei şi inhibă expresia genelor implicate în fotosinteză. - Activează expresia genelor implicate în sinteza proteinelor antifungice: tionin, osmotin şi induce sinteza enzimelor implicate în formarea fitoalexinelor. - Are rol în apărarea activă la atacul patogen. Meir şi colab. (2000) au constatat că metil jasmonatul stimulează mecanismele de apărare naturală la atacul produs de ciupercile parazite, la grapefruit. - Acidul jasmonic din frunzele de Solanum tuberosum poate fi convertit prin hidroxilare şi glucozilare în acid tuberinic-12-0-β-glucozid care se apreciază că induce formarea tuberculilor. Acidul salicilic se presupune că se sintetizează din acidul trans-cinamic pe calea acidului benzoic. ____________________________________________________________________________________________________________________________________________

85

.

Biochimie horticolă

Acidul salicilic reprezintă un semnal transmis la distanŃă, prin floem, de la Ńesuturile afectate de patogeni, spre cele neafectate, pentru a stimula mecanismele de rezistenŃă la atacul microorganismelor patogene. Are rol de asemenea în transducŃia ciclului de semnale legate de activarea genelor care codifică sinteza proteinelor legate de patogeneză. Alte funcŃii fiziologice ale acidului salicilic sunt: - Reduce rata de sinteză a etilenei. - Întârzie senescenŃa petalelor. - Reglează procesul de termogeneză la unele specii floricole, prin trecerea la respiraŃia cianidin sensibilă. 7.2. Activitatea hormonilor Receptorii hormonali reprezintă molecule specializate de care se leagă hormonii, formând complexe hormoni-receptori, care reprezintă forma activă a acestora. Aceasta determină formarea unui mesager secundar care poate fi: AMP, GMP, 1,2-diacil glicerol, inozitol 1,4,5-trifosfat, acid jasmonic sau ionii de calciu. Inozitol trifosfatul este uşor solubil în apă şi difuzează uşor în celule, determinând deschiderea canalelor de calciu, creşterea conŃinutului de calciu intracelular şi formarea complexului calmodulin-calciu. Majoritatea receptorilor hormonali sunt situaŃi în plasmalemă, care reprezintă interfaŃa dintre celulă şi mediul ambiant, dar se găsesc receptori şi în citoplasmă, nucleu şi în organitele celulare. Giberelinele şi acidul abscisic, care au structură sterolică, pot străbate uşor membranele fosfolipidice, ajungând astfel la receptorii situaŃi la nivelul organitelor celulare. Etilena singurul hormon în stare gazoasă, este moderat solubil în apă şi străbate uşor membranele plasmatice. CealalŃi hormoni sunt insolubili în lipide, din care cauză trecerea prin membranele plasmatice se face mai greu, fiind necesară intervenŃia transportorilor. InteracŃiunea dintre hormoni. În general, hormonii nu acŃionează individual, în Ńesuturile plantelor, rezultatul acŃiunii lor comune fiind dependent de relaŃiile dintre hormoni (antagonism sau sinergism) şi de raportul cantitativ dintre aceştia. Scott (1984) a precizat existenŃa unor relaŃii de antagonism între etilenă şi gibereline sau citochinine, în producerea senescenŃei fructelor. RelaŃii de antagonism s-au constatat şi între acidul abscisic şi kinetine, în cazul alungirii coleoptilului. RelaŃii de sinergism s-au constatat între kinetină şi auxină, în procesul de biosinteză a etilenei. Schimbarea raportului cantitativ dintre hormonii stimulatori şi cei inhibitori, stă la baza mecanismului de declanşare a procesului de maturare a fructelor şi a procesului de dormanŃă.

____________________________________________________________________________________________________________________________________________

86

.

Biochimie horticolă

Răspunsul la acŃiunea hormonilor nu poate fi explicată de modificarea concentraŃiei acestora, deoarece aceste modificări sunt relativ mici, ci în principal modificării sensibilităŃii Ńesuturilor la acŃiunea acestora. Timpul de răspuns la acŃiunea hormonilor, adică viteza de reacŃie a Ńesuturilor la aplicarea hormonilor este diferită. Unele reacŃii de răspuns sunt foarte rapide, desfăşurându-se în câteva secunde sau minute. Un astfel de exemplu îl reprezintă închiderea stomatelor ca urmare a tratamentelor cu acid abscisic. Închiderea stomatelor în condiŃii de stres hidric, se datorează creşterii concentraŃiei de acid abscisic din aceste celule de 15 - 50 ori, în 4 - 8 ore. Viteză de reacŃie mare se constată şi în cazul extensiei celulare, determinată de tratamentele cu auxină. În cazul altor reacŃii declanşate de hormoni, timpul de răspuns poate fi mare: ore sau zile. Un astfel de exemplu îl constituie biosinteza amilazelor ca urmare a tratamentelor cu gibereline. Autoevaluare 1. PrecizaŃi principalii hormoni vegetali. 2. Auxinele – structură şi rol. 3. Giberelinele – structură şi rol. 4. Citokininele – structură şi rol. 5. Acidul abscisic şi etilena – structură şi roluri. 6. Alte substanŃe reglatoare de creştere şi maturare. 7. Ce sunt receptorii hormonali? 8. Cum interacŃionează hormonii vegetali? 9. Care este timpul de răspuns la acŃiunea hormonilor? Bibliografie selectivă 1. Berg, J.M., Tymoczko, J.L., Stryer, L. 2003. Biochemie. 5. Auflage. Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg – Berlin , ISBN 3-8274-1303-6 2. Bodea, C. 1964. Tratat de biochimie vegetală. Partea I. Fitochimie. Vol.I. Ed Academiei RPR. 3. Burnea, I., Popescu, I., NeamŃu, G., Stancu, E., Lazăr, Şt. 1977. Chimie şi biochimie vegetală. EDP Bucureşti. 4. Burzo, I., Voican, V., Dobrescu, A., Delian, E., Bădulescu, L. 1999. Curs de Fiziologia plantelor. AMC USAMV Bucureşti. 5. Burzo, I., Delian, E., Dobrescu, A., Voican, V., Bădulescu, L. - Fiziologia plantelor de cultură - Volumul I Procesele fiziologice din plantele de cultură, ediŃie îmbunătăŃită, (2004), Ed. Ceres Bucureşti 6. Gherghi, A., Burzo, I., Bibicu, M., Mărgineanu, L., Bădulescu, L. 2001. Biochimia şi fiziologia legumelor şi fructelor. Ed. II-a revăzută şi completată. Ed. Academiei Române. 7. Ionescu, M. 1970. Biochimia agricolă. Ed. Ceres Bucureşti. 8. Voet, D., Voet, J.G. 2004. Biochemistry. 3. Auflage. John Wiley & Sons Inc., London, ISBN 0-471-39223-5. ____________________________________________________________________________________________________________________________________________

87

.

Biochimie horticolă

CAPITOLUL 8. PIGMENłII VEGETALI Cuvinte cheie: pigmenŃi carotenoizi, pigmenŃi clorofilieni, flavone, antociani, taninuri. Rezumat PigmenŃii vegetali sunt substanŃe bioactive ce conferă Ńesuturilor vegetale culoarea caracteristică, aceasta fiind diferită în funcŃie de specie şi soi. Sunt localizaŃi la nivel celular în diferite organite: în cloroplast pigemnŃii clorofilieni şi pigemnŃii carotenoizi, în cromoplaste pigmenŃii carotenoizi, în vacuolă pigemnŃii antocianici şi taninurile. La nivelul organelor plantelor pigmenŃii pot fi localizaŃi în epicarp (mere, portocale, banane, vinete etc.) sau în toate Ńesuturile părŃii edibile (la sfecla roşie, morcovi, tomate etc.), în epidermă şi primele straturi ale scoarŃei (pigmenŃii verzi din tulpinile tinere), în petalele florilor, etc. PigmenŃii vegetali au structuri diferite, putând fi tetraterpenoide oxigenate (xantofilele) sau nu (carotenii), substanŃe fenolice din clasa flavonoidelor simple (antocianidine şi flavone), glicozilate (flavanonele, flavonolii şi izoflavonele) sau condensate (taninurile). Compuşi cu răspândire largă în legume şi fructe, substanŃele fenolice au fost considerate ca produse secundare şi aparent fără un rol vital. Recent s-a evidenŃiat rolul lor în rezistenŃa pasivă a plantelor faŃă de atacul microorganismelor parazite, iau parte la realizarea gustului şi aromei legumelor şi fructelor, contribuie la realizarea culorii caracteristice legumelor şi fructelor, prezintă activitate antioxidantă, capacitatea de a reduce cantitatea speciilor active de oxigen, capacitatea de a inhiba formarea nitrozaminelor şi de a modula activitatea unor enzime şi au efect anticancerigen.

8.1. SubstanŃele carotenoide Carotenii sunt pigmenŃi cu nuanŃe de galben, care sunt localizaŃi în cromoplaste şi contribuie la realizarea culorii unor fructe şi flori. Din punct de vedere al structurii chimice, carotenoidele sunt tetraterpenoide formate din 8 unităŃi izoprenice cu un număr mare de legături duble conjugate. În structura carotenoizilor, la unul sau la ambele capete ale moleculei, pot exista şi cicluri iononice sau pentaciclice. În grupa pigmenŃilor carotenoizi şi a derivaŃilor acestora sunt incluse circa 70 de compuşi care se găsesc în cromoplaste, în stare liberă, dizolvaŃi în lipide sau cristalizaŃi şi sub formă de compuşi caroteno-proteici sau glicozide carotenoidice. PigmenŃii carotenoizi cu 40 de atomi de carbon au cea mai mare pondere în legume şi fructe şi sunt reprezentaŃi de: - hidrocarburi carotenoidice formate din carbon şi hidrogen corespunzător formulei brute C40H56 (licopen, caroten); - compuşi carotenoidici cu oxigen, dintre care mai răspândiŃi sunt cei care conŃin gruparea hidroxilică -OH (xantofile). Dintre pigmenŃii carotenoizi cu 40 de atomi de carbon identificaŃi în legume şi fructe, cel mai cunoscut şi răspândit este β-carotenul. ____________________________________________________________________________________________________________________________________________

88

.

Biochimie horticolă

Denumirea 1

Principalii pigmenŃi carotenoizi din legume şi fructe Structura chimica 2 PigmenŃi carotenoizi cu 40 atomi de carbon Hidrocarburi carotenoide

Răspândirea 3

α- Caroten

ÎnsoŃeşte βcarotenul

β-Caroten

În majoritatea legumelor şi fructelor Tomate

Fitoen

Fitofluen

În toate Ńesuturile care conŃin clorofilă Tomate, piersici, pepeni

Licopen

OH

Capsantina

Ardei

HO OH

Capsorubina O

Ardei gogoşari

O

OH OH

Luteina

Portocale şi Ńesuturile verzi

HO

β-Carotenul (C40H56) este alcătuit dintr-o catenă cu 11 duble legături conjugate şi are la ambele capete câte un ciclu cu dublă legătură (∆5:6) denumit ciclu β-iononic. Se găseşte în proporŃie mai ridicată în morcovi determinând culoarea portocalie a acestora. Aste provitamina a şi are acŃiune antiasmatică, antimutagenă şi antioxidantă.

α-Carotenul (C40H56) are la un capăt al catenei ciclul β-iononic, iar la celălalt capăt un ciclu α-iononic. În felul acesta, α-carotenul are în molecula sa 10 duble legături conjugate şi o dublă legătură izolată. ____________________________________________________________________________________________________________________________________________

89

.

Biochimie horticolă

Culoarea acestui pigment este mai deschisă decât a β-carotenului. Licopen (C40H56) are catena atomilor de carbon aciclică, cu 13 duble legături în moleculă, din care numai 11 conjugate. Se găseşte în proporŃie mare în tomate (2,8 - 4,3 mg/100 g parte edibilă), însă a mai fost identificată în circa 70 de specii de plante. Licopenul are acŃiune antioxidantă, anticancerigenă, antitumorală, cancer preventivă şi este un colorant pentru unele specii de fructe. Fitofluenul şi fitoenul sunt incolore şi cu un grad mai ridicat de nesaturare. Xantofilele sunt carotenoizi cu oxigen, cu câte o grupare hidroxilică la C3, respectiv la C3'. Cele mai cunoscute xantofile sunt: luteina, capsantina şi capsorubina. Luteina (C40H56O2) este asemănătoare α-carotenului, dar spre deosebire de acesta, are două grupări hidroxilice. Acest pigment este răspândit în toate plantele verzi alături de clorofilă şi caroten. Luteina are acŃiune antioxidantă, antisclerotică, anticancerigenă şi antitumorală. Capsantina (C40H56O2) reprezintă pigmentul roşu din ardei. Este o hidroxicetonă care se termină cu un ciclu alcătuit din 5 atomi de carbon rezultat din izomerizarea ciclului iononic. Are acŃiune antioxidantă. Capsorubina conŃine două grupări hidroxilice şi două grupări cetonice. Se găseşte la ardeiul roşu alături de capsantină. Zeaxantina (C40H56O2) se găseşte în fructele citrice. ConŃinutul total în pigmenŃi carotenoizi din legume variază între 0,1 mg/ 100 g fasole verde şi 25,0 mg/ 100 g ardei iar conŃinutul din fructe variază între 0,1 mg/100 g coacăze negre şi 7,5 mg/100 g banane. 8.2. PigmenŃii clorofilieni PigmenŃii clorofilieni se găsesc în cloroplastele tuturor Ńesuturilor verzi, fiind reprezentaŃi în principal de clorofila a şi clorofila b. Împreună cu pigmenŃii carotenoizi participă la faza de lumină a fotosintezei, motiv pentru care sunt denumiŃi pigmenŃi asimilatori. Clorofila este alcătuită din 4 nuclee pirolice care formează nucleul tetrapirolic (porfirinic), care are la centru un atom de magneziu. De nucleul porfirinic se leagă fitolul (C20 H39 OH), care este alcoolul unei hidrocarburi superioare. Dintre clorofile cele mai răspândite sunt clorofila a (C55 H72 O5 N4 Mg ) şi clorofila b (C55 H70 O6 N4 Mg).

____________________________________________________________________________________________________________________________________________

90

.

Biochimie horticolă

Clorofila a are o grupare metilică (CH3), în timp ce clorofila b are o grupare aldehidică (CHO). Raportul dintre clorofila a şi b este de 3/1 şi poate creşte în cazul plantelor heliofile, iubitoare de lumină. Biosinteza pigmenŃilor asimilatori. PigmenŃii

clorofilieni

se

biosintetizează în cloroplaste, în ciclul acidului γ-aminolevulinic. Până nu de mult

s-a

considerat

că

prin

condensarea aminoacidului glicină cu succinil CoA (produs intermediar al ciclului Krebs), în prezenŃa enzimei acid

5-aminolevulinic

sintază,

se

formează acidul γ-aminolevulinic. În prezent,

s-a

constatat

că

acidul

glutamic este activat prin legarea de ARMt, rezultând glutamil-ARNt, care se reduce la glutamat 1-semialdehidă. În

prezenŃa

glutamatsemialdehidă

aminotransferază, din acest compus se formează acidul 5-aminolevulinic. Două molecule de acid γ-aminolevulinic formează o moleculă de porfobilinogen, iar patru molecule de porfobilinogen dau naştere nucleului tetrapirolic al uroporfirinogenului. Prin legarea magneziului de nucleul tetrapirolic se formează Mg-porfirina, care se esterifică cu fitolul, formând clorofila a. Clorofila suferă un proces continuu de biosinteză şi biodegradare. Ca urmare a desfăşurării acestor procese, clorofila se reînnoieşte permanent, într-un ritm de 40 % pe parcursul a 2-3 zile. PigmenŃii carotenoizi se biosintetizează în cloroplaste şi cromoplaste, prin ciclul mevalonat, din acetil CoA rezultată din biodegradarea glucidelor şi lipidelor. Procesul de biosinteză cuprinde numeroşi compuşi intermediari, dintre care cei mai importanŃi sunt: mevalonatul, izopentil pirofosfatul, geranil pirofosfatul, fitoenul, licopenul şi carotenul. ProprietăŃile pigmenŃilor asimilatori sunt următoarele: -

Absorb energia luminoasă, care este utilizată în faza de lumină a fotosintezei.

-

Sunt solubili în solvenŃi organici ca: acetonă, eter de petrol, benzen etc.

-

Culoarea diferă astfel: clorofila a are culoare verde albăstruie, clorofila b are

culoare verde gălbuie, carotenul are culoare portocalie şi xantofila galben portocalie. ____________________________________________________________________________________________________________________________________________

91

.

Biochimie horticolă

- FluorescenŃa este proprietatea clorofilei de a aborbi radiaŃii cu lungime de undă mică şi energie mare (UV şi albastre), de a se excita, iar prin dezexcitare emit radiaŃii cu lungimea de undă mai mare decât cea absorbită (roşii). Extractul alcoolic de clorofile are culoarea verde când este privit prin transparenŃă şi culoare roşu-rubiniu, când este privit prin reflexie. -

Fotooxidarea reprezintă reacŃia de descompunere a moleculelor de clorofilă sub

acŃiunea luminii. Din acest punct de vedere, pigmenŃii carotenoizi sunt mai stabili, comparativ cu pigmenŃii clorofilieni. -

Saponificarea reprezintă procesul de descompunere a moleculelor de clorofilă în

prezenŃa bazelor, cu formare de acid clorofilinic, fitol şi alcool metilic. -

În prezenŃa acizilor minerali, magneziul din molecula de clorofilă este înlocuit cu

hidrogenul, rezultând feofitina de culoare brună. Carotenii pot absorbi radiaŃiile luminoase din zona albastră a spectrului (400-600 nm) şi energia absorbită o pot transfera pigmenŃilor clorofilieni. În acelaşi timp au şi rol în fotoprotecŃie, în absenŃa carotenilor plantele suferă leziuni determinate de procesul de fotooxidare. Biosinteza pigmenŃilor asimilatori se realizează în cicluri biochimice diferite, funcŃie de compoziŃia lor chimică. PigmenŃii clorofilieni se biosintetizează în cloroplaste, în ciclul acidului γaminolevulinic. Până nu de mult s-a considerat că prin condensarea aminoacidului glicină cu succinil CoA (produs intermediar al ciclului Krebs), în prezenŃa enzimei acid 5aminolevulinic sintază, se formează acidul γ-aminolevulinic. În prezent, s-a constatat că acidul glutamic este activat prin legarea de ARMt, rezultând glutamil-ARNt, care se reduce la glutamat 1-semialdehidă. În prezenŃa glutamatsemialdehidă aminotransferază, din acest compus se formează acidul 5-aminolevulinic. Două molecule de acid γ-aminolevulinic formează o moleculă de porfobilinogen, iar patru molecule de porfobilinogen dau naştere nucleului tetrapirolic al uroporfirinogenului. Prin legarea magneziului de nucleul tetrapirolic se formează Mg-porfirina, care se esterifică cu fitolul, formând clorofila a. Clorofila suferă un proces continuu de biosinteză şi biodegradare. Ca urmare a desfăşurării acestor procese, clorofila se reînoieşte permanent, într-un ritm de 40 % pe parcursul a 2..3 zile. PigmenŃii carotenoizi se biosintetizează în cloroplaste şi cromoplaste, prin ciclul mevalonat, din acetil CoA rezultată din biodegradarea glucidelor şi lipidelor. Procesul de biosinteză cuprinde numeroşi compuşi intermediari, dintre care cei mai importanŃi sunt: mevalonatul, izopentil pirofosfatul, geranil pirofosfatul, fitoenul, licopenul şi carotenul.

____________________________________________________________________________________________________________________________________________

92

.

Biochimie horticolă

8.3. SubstanŃe flavonoide Flavonoidele reprezintă o clasă de substanŃe fenolice care conferă culoarea caracteristică la numeroase specii de flori şi fructe. În mod frecvent, aceşti pigmenŃi se găsesc în plante sub formă glicozidică, în care una sau mai multe grupări hidroxilice ale fenolilor sunt combinate cu glucide reducătoare. Flavonoidele participă la procese de oxido-reducere cu rol de vitamina P. Pratt (1992) a constatat că flavonoidele (flavonele, flavonolii, izoflavonele, şi flavanonele) sunt cele mai importante substanŃe antioxidante. Antocianidinele dau culoarea roşie sau violet fructelor şi unor legume (varză roşie) reprezintă din punct de vedere chimic glicozide ale antocianidelor. Principalele clase de pigmenŃi flavonoizi Formula

Clasa de pigmenŃi flavonoizi 1 Antocianidine

PigmenŃii

2 R

OH

O OH

R1

OH OH

R

Flavone O

OH

HO R1 OH

O R1

Flavanone HO

O R

OH

R O

OH

HO R1 OH OH

HO

Pinocembrina R=R1=H; Naringenina R=OH; R1=H; Eriodictiolul R=R1=OH; Hesperetina: R=OCH3, R1=OH.

O

Flavonoli

Izoflavone

3 Pelargonidina R=R1=H; Cianidina R=OH, R1=H; Delfinidina R=R1=OH; Peonoidina R=OCH3, R1=H; Malvidina R=R1=OCH3; Petunidina R=OH, R1=OCH3. Apigenina R=R1=H; Luteolina R=OH, R1=H, Tricina R=R1=OCH3.

Campferol R=R1=H; Quercetină R=OH, R1=H, Izoramnetină R=OCH3, R1=H; Mircetină R=R1=OH.

O

Genisteină R=OH

O R OH

O R

Flavan-3,4-diol O

HO

R1 OH OH

Leucocianidină R=R1=OH Leucodelfinidină R=R1=R2=OH

R2

OH

____________________________________________________________________________________________________________________________________________

93

.

Biochimie horticolă

Cea mai răspândită antocianidă din fructe este cianidina în care componenta glucidică este D-glucoza, D-galactoza, L-ramnoza, rutinoza. Grupate după natura agliconului, cele mai importante glicozide antocianice identificate în legume şi fructe sunt: - Cianidin-3-glucozid în cireşe, căpşuni, struguri, coacăze, zmeura, agrişe, prune, piersici, portocale; - Delfinidin-3-glucozid în struguri, portocale, coacăze; - Pelargonidin-3-galactozid, în căpşuni, fragi; - Peonidin-3-glucozid sau oxicocianina, în cireşe, struguri, prune; - Petunidin-3-glucozid, în struguri; - Malvidin-3-glucozid sau oenina, în struguri; PigmenŃii antocianici sunt localizaŃi în sucul vacuolar al Ńesuturilor vegetale şi în funcŃie de pH pot forma săruri de flaviliu, de culoare roşie (pH=3), chinone, de culoare violetă (pH=8,5) sau săruri complexe ale chinonelor de culoare albastră (pH=11). Un al doilea factor important în formarea culorii îl reprezintă structura antocianidinelor. Astfel, odată cu creşterea grupărilor hidroxilice are loc închiderea culorii albastre, în timp ce substituirea cu grupări metoxi are drept consecinŃă intensificarea culorii roşii. Culoarea pigmenŃilor antocianici este influenŃată şi de efectul de copigmentare, adică de prezenŃa altor pigmenŃi însoŃitori sau chiar a unor substanŃe incolore. Antocianidinele şi antocianinele sunt substanŃe antioxidante şi au efect antiinflamator. Flavonele cele mai răspândite sunt apigenina şi luteolina, precum şi derivaŃii acestora. Aceste substanŃe au acŃiune: antibacteriană, anti HIV, hipotensivă, vasodilatatoare, antiinflamatoare, antivirală, antimetastatică, antimutagenă, antioxidantă, antimelanomică, antispasmodică, antitumorală, cancer preventivă şi citotoxică. Flavonolignanii rezultă din reacŃie de cuplare oxidativă dintre un compus flavonoid (taxifolină) şi unul fenilpropanoid (ex. alcool coniferilic). Silimarina este un flavonolignan izolat din fructele de Sylibum marianum în concentraŃie de 0,7 %.

AcŃiunea acestei substanŃe este foarte variată. Astfel se menŃionează faptul că poate să controleze alergiile, ameliorează boala Alzheimer, are efect hepatoprotector, anticarcinogen,

____________________________________________________________________________________________________________________________________________

94

.

Biochimie horticolă

antidepresant, antioxidant, antiinflamator, şi se utilizează pentru tratarea cancerului de piele şi a bolilor de ficat. Flavanonele se găsesc în produsele horticole mai ales sub formă de glicozide, dintre care se pot menŃiona: Naringina prezentă în grapefruit, portocale, epicarpul bacelor de struguri etc. Se formează cu participarea ramnozei, glucozei şi naringeninei. Glicozida contribuie la formarea gustului amar pronunŃat al citricelor. Această

substanŃă

are

efect:

antibacterian,

anticancerigen,

antihepatotoxic,

antimutagen, antiHIV, antiinflamator, antioxidant, antiviral, cancer preventiv şi pesticid. Hesperetina sau hesperetinrutinoza, este prezentă în citrice şi are acŃiune antibacteriană, antivirală, pesticidă, cancer preventivă şi hepatoprotectoare. Flavonolii şi izoflavonele formează legături acetalice cu D-glucoza, L-ramnoza, Darabinoza, D-xiloza, acidul D-glucuronic etc., de obicei în poziŃia C7 şi foarte rar în poziŃia C5, în timp ce flavonolii participă cu -OH din poziŃia C3. - Campferol-3- glucozid a fost identificat în struguri, căpşuni, fragi etc. Campferolul are efect antibacterian, antioxidant, antialergic, antiinflamator, antimutagen şi hipotensiv. - Quercitin-3-glucozid a fost identificat în mere, caise, coacăze negre, struguri, pere, prune, căpşuni; Quercetina

are

efect

antialergic,

antiasmatic,

antibacterian,

antidiabetic,

antiinflamator, antigripal şi antitumoral. - Miricetin-3-glucozid şi glucoronida sunt prezente în struguri; - Genisteina-7-glucozid sau genistina se găseşte în struguri. Biosinteza substanŃelor flavonoide includ sinteza acidului shikimic din care se sintetizează fenilalanina şi, în final, acidul cinamic şi acidul cumaric. În general, biosinteza pigmenŃilor antocianici este în strânsă corelaŃie cu metabolismul glucidic şi protidic. Astfel, în cazul în care condiŃiile de creştere şi maturare a fructelor sunt favorabile pentru sinteza glucidelor, concentraŃia acidului shikimic creşte, iar acesta este intens convertit în pigmenŃi antocianici. În cazul unor condiŃii nefavorabile pentru aceste biosinteze ca de exemplu, îngrăşarea excesivă a solului cu azot, acidul shikimic este utilizat în cea mai mare parte la sinteza proteinelor, în timp ce formarea pigmenŃilor antocianici se petrece într-un ritm foarte lent. Din aceste procese biosintetice se formează şi leucoantociani, ce pot fi transformaŃi ulterior în antociani. Sinteza este localizată în citoplasmă pentru monomeri, dimeri şi trimeri şi în vezicule, denumite impropriu antocianoplaste, pentru produşii finali. Antocianii formaŃi sunt

____________________________________________________________________________________________________________________________________________

95

.

Biochimie horticolă

transportaŃi din aceste vezicule în vacuolă, printr-un proces de pinocitoză, iar membranele veziculelor pot fi încorporate în tonoplast. 8.4. SubstanŃe fenolice Compuşi cu răspândire largă în legume şi fructe, substanŃele fenolice au fost considerate ca produse secundare şi aparent fără un rol vital. Recent s-a evidenŃiat rolul lor în rezistenŃa pasivă a plantelor faŃă de atacul microorganismelor parazite, iau parte la realizarea gustului şi aromei legumelor şi fructelor, contribuie la realizarea culorii caracteristice legumelor şi fructelor, prezintă activitate antioxidantă, capacitatea de a reduce cantitatea speciilor active de oxigen, capacitatea de a inhiba formarea nitrozaminelor şi de a modula activitatea unor enzime şi au efect anticancerigen. DerivaŃi ai acidului cinamic Acidul cinamic este o substanŃă care în cantităŃi mici se găseşte aproape în toate legumele şi fructele. Reprezintă un compus de bază în formarea a numeroşi derivaŃi fenolici: acizii ferulic, cafeic şi p-cumaric sau esteri: acidul clorogenic [(HO)2-C6H3-CH=CH-COOHC6H7(OH3)-COOH), o depsida care rezultă din esterificarea acidului cafeic cu acidul chinic, prezent în cartofi, pere, prune, piersici, cirese şi afine; acidul p-cumaril chinic şi esterul acidului hidroxicinamic cu acidul chinic, a carui concentraŃie în fructe variază între 75 mg/100 g produs proaspăt la piersici şi 250 mg/100 g produs proaspăt la cireşe DerivaŃii acidului cinamic formează cu glucidele glicozide, substanŃe identificate în legume şi fructe, ca de exemplu, cafeic-glucozid şi sakuchirina. OCH3 O CH2

O glucozã

CO

CH

OH

CH

O

HO H C

CH COOH

Acid cafeic-glucozid

O CO CH

OH OH

CH

OH

OH

Sakuchirinã

DerivaŃi ai acidului benzoic Dintre derivaŃii hidroxilaŃi ai acidului benzoic în legume şi fructe au fost identificaŃi acizii: hidroxibenzoic, gentistic, protocatechic, vinilic şi galic. Acidul galic ia parte la formarea galotaninurilor, iar acidul benzoic la formarea unor glicozizi cu sulf (glucobrasicina). ____________________________________________________________________________________________________________________________________________

96

.

Biochimie horticolă

Taninuri Aceste substanŃe reprezintă complexe de metaboliŃi secundari solubili în apă, cu greutatea moleculară de 500 – 3.000 Da. Taninurile contribuie la realizarea gustului astringent al produselor horticole, iar din punct de vedere chimic, sunt esteri ai acidului galic sau ai altor acizi fenolici cu glucidele, sau produşi de condensare ai 3-hidroxiflavonelor (catechine). Taninurile pot fi: - hidrolizabile, în care caz se descompun prin hidroliză într-o glucidă şi acid fenolic - condensate (derivaŃi ai catechinei) când nu conŃin glucide şi pot fi descompuse numai prin topire alcalină. Taninurile hidrolizabile sunt în mare lor majoritate glicozide, în care componenta glucidică o reprezintă D-glucoza, iar agliconul poate fi: OH OH

Acid galic

HO COOH OH OH

HO

Acid m-galoil galic

HO

COO

HO

COOH OH O

Acid elagic

OC

HO

OH CO

O

OH

În general, conŃinutul total de taninuri din legume şi fructe variază mult în funcŃie de

specie sau organ. La struguri, cea mai mare cantitate de taninuri se găseşte în seminŃe (0,36%) şi în epicarp (0,19%), în timp ce proporŃia acestor compuşi din suc şi mezocarp este relativ mică (0,02%) şi respectiv 0,004%.

Autoevaluare 1. PrecizaŃi principalii pigmenŃi vegetali. 2. PigmenŃii carotenoizi – structură şi rol. 3. PigmenŃii clorofilieni – structură şi rol. 4. ProprietăŃile pigmenŃilor asimilatori. 5. SubstanŃele flavonoide – structură şi rol. 6. SubstanŃe fenolice – structură şi roluri. ____________________________________________________________________________________________________________________________________________

97

.

Biochimie horticolă

Bibliografie selectivă 1. Berg, J.M., Tymoczko, J.L., Stryer, L. 2003. Biochemie. 5. Auflage. Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg – Berlin , ISBN 3-8274-1303-6 2. Bodea, C. 1964. Tratat de biochimie vegetală. Partea I. Fitochimie. Vol.I. Ed Academiei RPR. 3. Burnea, I., Popescu, I., NeamŃu, G., Stancu, E., Lazăr, Şt. 1977. Chimie şi biochimie vegetală. EDP Bucureşti. 4. Burzo, I., Voican, V., Dobrescu, A., Delian, E., Bădulescu, L. 1999. Curs de Fiziologia plantelor. AMC USAMV Bucureşti. 5. Burzo, I., Dobrescu, A., Bădulescu, L., Mihăescu, D., Bălan, D. - Fiziologia plantelor, Volumul VIII - SubstanŃele utile din plante (2005) Ed. Elisavaros Bucureşti 6. Burzo, I., Delian, E., Dobrescu, A., Voican, V., Bădulescu, L. - Fiziologia plantelor de cultură - Volumul I Procesele fiziologice din plantele de cultură, ediŃie îmbunătăŃită, (2004), Ed. Ceres Bucureşti 7. Gherghi, A., Burzo, I., Bibicu, M., Mărgineanu, L., Bădulescu, L. 2001. Biochimia şi fiziologia legumelor şi fructelor. Ed. II-a revăzută şi completată. Ed. Academiei Române. 8. Ionescu, M. 1970. Biochimia agricolă. Ed. Ceres Bucureşti. 9. Lehninger, A.L. 1987. Biochimie. Vol.1. Ed. Tehnică Bucureşti. 10. Voet, D., Voet, J.G. 2004. Biochemistry. 3. Auflage. John Wiley & Sons Inc., London, ISBN 0-471-39223-5.

____________________________________________________________________________________________________________________________________________

98

.

Biochimie horticolă

CAPITOLUL 9. METABOLISMUL PLANTELOR Cuvinte cheie: metabolism, anabolism, catabolism, compuşi macroergici, enzime, metabolismul glucidelor, lipidelor, proteinelor, metabolism energetic, ciclul Krebs Rezumat Metabolismul reprezintă totalitatea reacŃiilor de schimb de substanŃe, energie şi informaŃie dintre celula vegetală şi mediul înconjurător, precum şi ansamblul transformărilor care au loc în celula vie. Metabolismul are două laturi opuse: anabolismul şi catabolismul. Anabolismul reprezintă totalitatea reacŃiilor de biosinteză a substanŃelor proprii organismului care se realizează cu consum de energie, în timp ce catabolismul include totalitatea reacŃiilor de biodegradare a substanŃelor de rezervă, cu producere de energie. Metabolismul se prezintă sub două aspecte: metabolismul intermediar (al substanŃelor) şi metabolismul energetic. Prin metabolism energetic se înŃelege schimbul de energie care are loc între organism şi mediul înconjurător, precum şi transformările energetice care au loc în metabolismul substanŃelor. Metabolismul intermediar (al substanŃelor) cuprinde totalitatea reacŃiilor de biosinteză şi biodegradare a substanŃelor organice, în care se formează molecule proprii organismului respectiv sau compuşii macromoleculari sunt transformaŃi în molecule simple. Aceste reacŃii se realizează în cicluri biochimice catalizate de enzime. 9.1. NoŃiuni de metabolism Metabolismul reprezintă totalitatea reacŃiilor de schimb de substanŃe, energie şi informaŃie dintre celula vegetală şi mediul înconjurător, precum şi ansamblul transformărilor care au loc în celula vie. Prin urmare celulele reprezintă un sistem deschis care se află într-un continuu schimb de energie şi substanŃe cu mediul ambiant şi care tinde către un echilibru termodinamic, fără a ajunge însă la el. Metabolismul are două laturi opuse: anabolismul şi catabolismul. Anabolismul reprezintă totalitatea reacŃiilor de biosinteză a substanŃelor proprii organismului care se realizează cu consum de energie, în timp ce catabolismul include totalitatea reacŃiilor de biodegradare a substanŃelor de rezervă, cu producere de energie. Schimbul de substanŃe cu mediul ambiant este însoŃit întotdeauna de schimbul de energie şi informaŃii, astfel că raportul dintre cele două laturi ale metabolismului se modifică în decursul ontogenezei. Metabolismul se prezintă sub două aspecte: metabolismul intermediar (al substanŃelor) şi metabolismul energetic. Prin metabolism energetic se înŃelege schimbul de energie care are loc între organism şi mediul înconjurător, precum şi transformările energetice care au loc în metabolismul substanŃelor. Aceste transformări se realizează prin intermediul unor substanŃe chimice bogate în energie, numite „compuşi macroergici”, care au capacitatea de a stoca energia biochimică rezultată din procesele de fotofosforilare (în faza de lumină a fotosintezei) sau de fosforilare oxidativă (în respiraŃie) şi de a furniza energie pentru procesele de biosinteză (anabolism). ____________________________________________________________________________________________________________________________________________

99

.

Biochimie horticolă

Metabolismul energetic se realizează ca urmare a metabolismului substanŃelor organice prin care se introduce în organism energie sub forma de energie biochimică rezultată în etapa de lumină a fotosintezei sau din biodegradarea substanŃelor organice de rezervă, în funcŃie de etapa de dezvoltarea a acestora. După specific, transformările bioenergetice din plante se pot clasifica astfel: a) transformarea energiei solare în energie biochimică (în procesul de fotosinteză) şi ulterior în energie chimică stocată în glucide, lipide, proteine; În faza de lumină, care se desfăşoară în tilacoidele cloroplastelor, se utilizează energia din radiaŃiile luminoase pentru fotoliza apei; electronii şi protonii rezultaŃi sunt utilizaŃi pentru sinteza unei substanŃe puternic reducătoare (NADPH+H+), iar energia produsă prin transportul protonilor prin pompa de protoni este folosită pentru biosinteza ATP-ului, care acumulează energia biochimică în legăturile macroergice. În această fază se formează şi O2 care se degajă. Procesul de fotosinteză se realizează cu participarea a numeroase substanŃe, care se găsesc în membranele tilacoidale şi granale formând structuri specifice: fotosistemul I, fotosistemul II, complexul citocrom b6-f şi complexul ATP-sintetaza (Burzo ş.a., 2004). PigmenŃii fotoreceptori din tilacoidele cloroplastelor şi ale granei, sunt grupaŃi formând cele două fotosisteme, fiecare fiind alcătuit din antene fotoreceptoare şi centre de reacŃie. Antenele fotoreceptoare sunt alcătuite din molecule de clorofilă a şi b, din xantofilă şi carotină, care au rolul de a recepŃiona energia fotonilor din radiaŃiile luminoase şi de a o transmite spre centrele de reacŃie. Randamentul de transmitere a energiei este de 95 % în cazul clorofilei a şi b şi de numai 40-45% în cazul pigmenŃilor carotenoizi. Antenele fotoreceptoare sunt în legătură cu centrele de reacŃie care sunt alcătuite din moleculele de clorofilă a700 (P700) pentru fotosistemul I şi a680 (P680) pentru fotosistemul II, acesta fiind în legătură cu complexul producător de oxigen. În alcătuirea centrelor de reacŃie mai intră şi substanŃe transportoare de electroni. Între cele două fotosisteme se găseşte complexul citocrom b6-f. În complexul ATP-sintetază are loc sinteza ATP-ului pe baza transportului transmembranar al protonilor, conform gradientului de concentraŃie, din lumenul tilacoidei în stromă. Transportul electronilor între primele trei complexe menŃionate se realizează cu participarea unor substanŃe transportoare de electroni şi conduce la sinteza NADPH+H+ la nivelul ferredoxinei asociată fotosistemului I. Transportul electronilor între fotosistemul II şi complexul citocrom b6 citocrom f se realizează eu ajutorul plastochinonei (PQ) care se ____________________________________________________________________________________________________________________________________________

100

.

Biochimie horticolă

deplasează liber în stratul de galactolipide, iar legătura dintre complexul citocrom b6-citocrom f şi fotosistemul I este realizată cu participarea plastocianinei (PC) care se deplasează în lungul lumenului tilacoidei. Mecanismul fazei de lumină a fotosintezei Energia cuantelor de lumină este captată de pigmenŃii antenelor fotoreceptoare ale celor două fotosisteme. În urma acestui proces pigmenŃii intră într-o fază de excitaŃie care se caracterizează prin trecerea unui electron de pe o orbită interioară pe o orbită exterioară. Durata fazei de excitaŃie este foarte scurtă, după care pigmenŃii revin la stadiul iniŃial prin transferul energiei de excitaŃie unei molecule de pigment învecinate sau prin eliminarea ei sub formă de căldură sau fluorescenŃă.

Transferul energiei de excitaŃie de la o moleculă de pigment la alta, până la centrele de reacŃie ale celor două fotosisteme, se realizează prin rezonanŃă. Moleculele de clorofilă din centrele de reacŃie primind energia de la antenele fotoreceptoare, intră în faza de excitaŃie şi expulzează un electron (e-). Clorofila a din centrul de reacŃie a fotosistemului II primeşte electroni de la manganul din complexul producător de oxigen. Prin cedarea electronilor manganul se oxidează:

Ionii de mangan ajunşi la un nivel ridicat de oxidare determină descompunerea moleculelor de apă, care eliberează 2 electroni, 2 protoni şi O2 conform reacŃiilor de mai jos:

____________________________________________________________________________________________________________________________________________

101

.

Biochimie horticolă

Electronii rezultaŃi din fotoliza apei sunt preluaŃi de atomii de mangan, care se reduc şi care îi cedează ulterior clorofilei din centrul de reacŃie a fotosistemului II aflată în stare de excitaŃie după expulzarea electronului ce îşi revine la starea iniŃială. Protonii se acumulează în lumenul tilacoidelor, iar oxigenul se degajă în mediul ambiant. Electronii expulzaŃi de moleculele de clorofilă a680 din centrul de reacŃie al fotosistemului II sunt transportaŃi de plastochinone la complexul citocrom b6-f, apoi de plastocianine la fotosistemul I, fiind cedaŃi moleculei excitate de clorofilă a700 din centrul său de reacŃie, care îşi revine la starea iniŃială. Electronii expulzaŃi de clorofilă a700 din centrul de reacŃie al fotosistemului sunt transportaŃi la ferredoxină care îi cedează NADP-ului care în prezenŃa protonilor formează o substanŃă puternic reducătoare NADPH + H+. Fotofosforilarea reprezintă procesul prin care energia din radiaŃiile luminoase este transformată în energie biochimică care se acumulează în legăturile macroergice ale ATPului. Fotoliza apei generează un aport permanent de protoni, ce se acumulează în lumenul tilacoidelor impermeabile pentru protoni, iar concentraŃia acestora ajunge să depăşească de 1000 de ori pe cea din stromă. DiferenŃa de concentraŃie a protonilor din lumenul tilacoidelor şi stroma cloroplastului generează un flux de protoni prin complexul ATP-sintetizată, iar energia rezultată din transportul protonilor prin acest complex este utilizată de enzima ATP-sintetizată pentru fosforilarea ADP-ului cu fosforul anorganic, rezultând ATP-ul. Formarea ATP-ului ca urmare a transportului protonilor prin complexul ATP-sintetază constituie fosforilarea aciclică. În acest caz, fiecărui electron transportat prin lanŃul transportor de electroni îi corespunde câte un proton transportat prin complexul ATPsintetază, rezultând câte un mol de NADPH + H+ şi respectiv câte unul de ATP. Cercetările au dovedit însă că în faza de lumină a fotosintezei se formează mai mult ATP comparativ cu NADPH + H+. Surplusul de ATP se formează în procesul de fosforilare ciclică, în care o parte din protonii transportaŃi prin complexul ATP-sintetază nu sunt utilizaŃi pentru reducerea NADP-ului, ci efectuează un nou circuit prin tilacoide, fiind transportaŃi de plastochinonele mobile. În final trec din nou prin complexul ATP-sintetază generând ATP fără a avea loc fotoliza apei.

____________________________________________________________________________________________________________________________________________

102

.

Biochimie horticolă

b) transformarea energiei chimice din moleculele organice în energie biochimică (în special ATP) în timpul respiraŃiei aerobe. Din oxidarea şi dehidrogenarea acizilor piruvic, izocitric, α-cetoglutaric, succinic şi malic în Ciclul Krebs rezultă substanŃe puternic reducătoare NADH+H+ şi FADH2 care eliberează electronii şi a protonii la nivelul membranei mitocondriale interne în cea de-a doua etapă a respiraŃiei aerobe. Transportul electronilor prin membrana mitocondrială se realizează cu participarea unui lanŃ de substanŃe oxido-reducătoare care primind electroni se reduc, pentru ca apoi să îl cedeze, oxidându-se. Aceste substanŃe formează 4 complexe: - complexul I este o NADH dehidrogenază care oxidează NADH+H+-format în ciclul Krebs şi transferă electronii rezultaŃi la ubichinonă (UQ). Acesta are greutatea moleculară de 600 kDa şi este alcătuit din FMN, 4 proteine cu fier şi sulf şi ubichinonă. - complexul II conŃine succinat dehidrogenaza care oxidează fumaratul, transferând electronii rezultaŃi moleculelor de ubichinonă (UQ). Are greutatea moleculară de 125 kDa şi conŃine FAD, 2 proteine cu fier şi sulf, citocrom b şi ubichinonă. Ubichinona primeşte separat electronii de la complexul I şi de la complexul II şi poate să-i cedeze complexului IV sau unei flavoproteine terminale care formează apa de respiraŃie, fără formarea de ATP (ciclul respirator alternativ).

- complexul III oxidează ubichinona şi transferă electronii rezultaŃi citocromului c, care îi cedează apoi complexului IV. Acest complex III (sau citocrom b – citocrom c1) are greutatea

____________________________________________________________________________________________________________________________________________

103

.

Biochimie horticolă

moleculară de 500 kDa şi conŃine citocrom b560, citocrom b566, citocrom c1, o proteină cu fier şi sulf, 5 polipeptide şi ubichinonă. - complexul IV este citocrom c oxidaza, cu greutatea moleculară de 125 kDa şi este alcătuit din citocrom a, citocrom a3 şi din doi compuşi care conŃin cupru. Acesta este complexul terminal de transfer al electronilor, care cedează electronii oxigenului pe care îl activează şi care împreună cu hidrogenul formează apa de respiraŃie (H2O). Protonii rezultaŃi din dehidrogenarea substratului sunt transportaŃi de complexele I, II şi III din matricea mitocondrială în spaŃiul intermembranal, unde se acumulează. Acumularea protonilor în spaŃiul dintre cele două membrane, generează un gradient pH, respectiv o forŃă proton-motrice care determină transportul acestora prin pompele de protoni în matricea mitocondrială. Energia rezultată din acest proces este utilizată pentru sinteza ATP-ului din ADP şi fosfor anorganic (Pi), în prezenŃa ATP-sintazei. Acest proces este cunoscut sub denumirea de fosforilare oxidativă. Din biodegradarea celor 2 moli de acid piruvic rezultaŃi dintr-o moleculă de glucoză, rezultă 8 moli de NADH+H+ care corespund cu 24 moli de ATP, 2 moli de FADH2 ce corespund cu 4 moli de ATP şi 2 moli de GTP ce corespund cu 2 moli de ATP. BilanŃul energetic total al acestui proces este de 30 moli ATP, care înmagazinează 900 Kj energie biochimică. c) transformarea energiei biochimice în alte forme de energie (calorică, transport activ prin membrane, activarea enzimelor etc.) Metabolismul intermediar (al substanŃelor) cuprinde totalitatea reacŃiilor de biosinteză şi biodegradare a substanŃelor organice, în care se formează molecule proprii organismului respectiv sau compuşii macromoleculari sunt transformaŃi în molecule simple. Aceste reacŃii se realizează în cicluri biochimice catalizate de enzime. 9.2. Enzimele Enzimele sunt biocatalizatori ai reacŃiilor biochimice care au loc în plante. Din punct de vedere biochimic, enzimele sunt heteroproteide, alcătuite dintr-o grupare proteică (apoenzima) care determină specificitatea de acŃiune şi un cofactor enzimatic alcătuit dintr-o grupare prostetică, ioni sau coenzime (vitamine, ex.B1, nucleotide, citocromi etc.). Apoenzima este macromolecula proteică a enzimei, sensibilă la temperaturi ridicate, cu activitate catalitică. În structura este se află situsul catalitic (zona distinctă în care se leagă specific substratul/substratele de reacŃie) şi situsul allosteric (în cazul enzimelor reglatoare, în care se leagă efectorul allosteric – inhibitor sau activator). ____________________________________________________________________________________________________________________________________________

104

.

Biochimie horticolă

Situsul catalitic reprezintă acea regiune internă constituită dintr-un grup de aminoacizi care diferă prin funcŃia lor de ceilalŃi aminoacizi componenŃi ai apoenzimei, la care

se

reversibil

leagă

substratul/substratele (S) pe care enzima îl/îi transformă în produs/produşi de reacŃie (P). Se caracterizează printr-o anume configuraŃie spaŃială şi printr-o structură specifică ce crează o compatibilitate între situs şi un anumit substrat ce se va ataşa la acest situs catalitic.

E + S ↔ [ES] → E + P La enzimele bicomponente situsul catalitic împreună cu regiunea din moleculă la care se ataşează cofactorul enzimatic formează centrul catalitic al enzime. La enzimele monocomponente centrul catalitic este identic cu situsul catalitic.

Enzimele care exercită pe lângă funcŃia catalitică şi rol reglator se numesc enzime allosterice. Acestea conŃin pe lângă situsul catalitic un al doilea situs numit allosteric, la care se pot lega efectori allosterici (inhibitori sau activatori) tranziŃiile conformaŃii

care enzimei posibile

modulează între

două

(activă

şi

inactivă) prin care se permite sau nu accesul substratului la situsul catalitic.

____________________________________________________________________________________________________________________________________________

105

.

Biochimie horticolă

Cinetica enzimatică studiază viteza şi ordinul reacŃilor catalizate de enzime, precum şi factorii care influenŃează activitatea enzimatică. Viteza de reacŃie reprezintă cantitatea de substrat care se transformă în unitatea de timp sau cantitatea de produs care se formează în unitatea de timp. Creşterea concentraŃiei substratului determină creşterea vitezei de reacŃie până la o valoare denumită Vmax (viteza maximă), după care rămâne constantă. Constanta

Michaelis

Km

este

un

parametru specific fiecărei enzime, care exprimă afinitatea enzimei faŃă de substrat şi se calculează ca fiind acea concentraŃie de substrat la care viteza de desfăşurare a unei reacŃii enzimatice este jumătate din viteza maximă. Viteza

reacŃiei

enzimatice

poate

fi

influenŃată de concentraŃia enzimei, temperatură, pH, diferiŃi efectori enzimatici (activatori sau inhibitori). În funcŃie de acŃiunea lor, enzimele sunt clasificate în: oxidoreductaze (catalizează reacŃiile de oxido-reducere), transferaze (catalizează transferul unei grupări funcŃionale de la un substrat donor la un substrat acceptor), hidrolaze (catalizează hidroliza unor legături chimice), liaze (catalizează reacŃii de scindare a unei substanŃe prin alte procedee decât hidroliza sau oxidare), izomeraze (catalizează reacŃii de izomerizare a unor molecule simple), ligaze (catalizează reacŃiile de legare a două molecule prin legături covalente, cu consum de ATP). Enzimele catalizează reacŃiile biochimice din celule, caracteristice pentru procesele anabolice sau catabolice. Aceste reacŃii se desfăşoară în diferite compartimente celulare şi ca urmare se poate vorbi de o distribuŃie a enzimelor în celule. Astfel, enzimele implicate în procesul de fotosinteză se găsesc în cloroplaste, cele ale ciclului Krebs în mitocondrii, enzimele ciclului glicolitic în citoplasmă etc. Numărul enzimelor identificate în plante este mare, dar se consideră că unele dintre ele au “rol cheie“ adică activitatea enzimei respective poate fi corelată cu intensitatea procesului fiziologic în care este implicată. Dintre aceste enzime pot fi menŃionate următoarele: -Ribulozo-1,5-difosfat carboxilaza-oxigenaza

(RUBISCO), care prin activitatea

carboxilazică catalizează procesul de reducere fotosintetică a dioxidului de carbon, iar prin activitatea oxigenazică, intervine în procesul de fotorespiraŃie. Această enzimă este alcătuită

____________________________________________________________________________________________________________________________________________

106

.

Biochimie horticolă

din 8 subunităŃi codificate de genele din cloroplast şi din 8 subunităŃi codificate de genele din nucleu. -Fosfofructokinaza catalizează reacŃia de fosforilare a fructozei, care constituie o etapă în procesul de biodegradare a hexozelor în ciclul glicolitic. Activitatea acestei enzime poate constitui un indicator pentru intensitatea acestui proces. -Fenilalaninamoniuliaza (PAL), reprezintă enzima cheie a metabolismului fenilpropanoizilor în care se biosintetizează fenolii, antocianii, ligninele etc. Această enzimă catalizează reacŃia de dezaminare a fenilalaninei şi formarea acidului cinamic, constituind un indicator pentru ritmul de desfăşurare al acestui proces. -Fosfolipaza reprezintă principala enzimă implicată în biodegradarea fosfolipidelor din membranele plasmatice, iar lipoxigenaza catalizează biodegradarea acizilor graşi rezultaŃi din primul proces. -Enzimele

pectice:

poligalacturonaza,

protopectinaza

şi

pectinmetilesteraza

constituie enzimele cheie în procesul de biodegradare a substanŃelor pectice, proces ce se corelează cu diminuarea fermităŃii Ńesuturilor fructelor. Pectinmetilesteraza catalizează demetilarea pectinelor ceea ce favorizează acŃiunea poligalacturonazelor, care catalizează reacŃia de scindare a acestor substanŃe cu formarea de acizi galacturonici. Rhodes (1980) a constatat existenŃa a două poligalacturonaze: o exogalacturonază care desprinde acizii galacturonici de la sfârşitul lanŃului de poliuronide şi o endogalacturonază, care rupe lanŃul în mod randomizat. -Clorofilazele catalizează reacŃia de descompunere a clorofilei, reacŃie ce poate fi corelată cu modificarea culorii. -Polifenoloxidazele catalizează reacŃia de oxidare a polifenolilor, determinând brunificarea Ńesuturilor. Perioada în care se manifestă activitatea maximă a fenolazelor diferă cu specia. Astfel în tomate, activitatea maximă a fenolazelor s-a înregistrat după 47 zile de la căderea florilor (Frend şi Rhodes, 1981), în cazul merelor în luna mai iar în struguri s-a identificat în primele etape ale formării fructelor. -Ribonucleaza catalizează reacŃia de biodegradare a acizilor nucleici, fapt ce conduce la diminuarea procesului de biosinteză a proteinelor şi la apariŃia simptomelor de senescenŃă. -α- şi β- Amilaza catalizează reacŃiile de biodegradare a amidonului de rezervă. -Ascorbatoxidaza

este

o

enzimă

implicată

în

modificarea

potenŃialului

oxidoreducător celular, prin transformarea acidului ascorbic în acid dehidroascorbic. Determinările efectuate de Burzo şi colab. (1987), au evidenŃiat că activitatea maximă a acestei enzime se înregistrează în primele etape ale creşterii frunzelor şi mugurilor. ____________________________________________________________________________________________________________________________________________

107

.

Biochimie horticolă

-Superoxiddismutaza (SOD) catalizează transformarea radicalului superoxid (O2-), la peroxid de hidrogen şi oxigen, ceea ce contribuie la diminuarea proceselor de oxidare din Ńesuturi. -Catalaza reprezintă una din enzimele care catalizează descompunerea apei oxigenate, care are un efect toxic asupra Ńesuturilor. Acelaşi rol îl are şi peroxidaza care catalizează reacŃia dintre oxigenul peroxidic şi un substrat acceptor de oxigen peroxidic sau donor de hidrogen. -Aminociclopropancarboxilaza (ACC-sintaza), reprezintă enzima cheie pentru ciclul de biosinteză a etilenei. Această enzimă catalizează transformarea S-adenozil metioninei, în acid 1-aminociclopropan-1-carboxilic. Blocarea activităŃii acestei enzime prin tratamente cu aminoetoxivinilglicină, împiedică formarea etilenei şi în consecinŃă inhibă procesul de maturare al fructelor. -Malatdehidrogenaza şi piruvatdehidrogenaza sunt considerate ca enzime a căror activitate se corelează cu intensitatea ciclului Krebs şi respectiv cu maximum climacteric respirator (Hulme, 1970). Pe parcursul procesului de creştere şi dezvoltare a plantelor, se constată modificări specifice a activităŃii enzimatice. Se consideră că aceste modificări sunt datorate biosintezei de novo a enzimelor, creşterii activităŃii enzimelor preexistente sau a biodegradării inhibitorilor enzimatici existenŃi în celule. Activitatea enzimatică este influenŃată de asemenea şi de prezenŃa complexului calmodulin-calciu. În general transformările biochimice care au loc în celule se desfăşoară în cicluri biochimice. Din această cauză acŃiunea enzimelor se desfăşoară într-o ordine riguroasă, iar compusul chimic rezultat din prima reacŃie este utilizat în cea de a doua reacŃie, care este catalizată de o enzimă corespunzătoare. 9.3. Metabolismul glucidic 9.3.1 Biosinteza glucidelor Glucidele sunt primii compuşi organici sintetizaŃi de către plante verzi autotrofe pornind de la substanŃe anorganice – CO2, H2O şi substanŃe minerale - în timpul fazei enzimatice a procesului de fotosinteză. Această fază, denumită şi ciclul Calvin, se desfăşoară în stroma cloroplastului, utilizează cele două substanŃe bogate în energie produse în faza de lumină (ATP şi NADPH, H+) pentru fixarea CO2 de către enzima-cheie RUBISCO şi ulterior pentru biosinteza triozelor, primii compuşi organici biosintetizaŃi. ____________________________________________________________________________________________________________________________________________

108

.

Biochimie horticolă

Ciclul Calvin se desfăşoară în stroma cloroplastelor, în trei etape distincte, catalizate de

enzime specifice, prima dintre ele fiind ribulozo-1,5-difosfat-carboxilaza/oxidaza sau RUBISCO. Etapele ciclului Calvin: - Fixarea dioxidului de carbon de către ribulozo-1,5-difosfat, în prezenŃa enzimei ribulozo-1,5-difosfat carboxilază/oxidază şi formarea unui compus instabil cu 6 atomi de carbon, care se scindează în două molecule de acid 3-fosfogliceric. - Reducerea acidului 3-fosfogliceric, produsul primar al fotosintezei, până la aldehida 3-fosfoglicerică, în prezenŃa ATP-ului şi NADPH+H+-ului şi a enzimelor glicerofosfat-kinaza şi fosfoglicerilaldehid-3-dehidrogenaza. Printr-o succesiune de reacŃii sunt fixate 3 molecule de CO2 la 3 molecule de ribulozo-1,5difosfat formându-se 6 molecule de aldehidă 3-fosfoglicerică.

____________________________________________________________________________________________________________________________________________

109

.

Biochimie horticolă

- Regenerarea ribulozo-1,5-difosfatului se realizează cu participarea a 5 molecule de aldehidă 3-fosfoglicerică, câştigul net fiind de o moleculă de aldehidă 3-fosfoglicerică, o trioză, prima substanŃă organică biosintetizată din substanŃe anorganice de către plentele fotoautotrofe. Această moleculă de aldehidă 3-fosfoglicerică este utilizată în procesul de biosinteză a hexozelor, care se realizează pe următoarea cale: aldehidă-3-fosfoglicerică ↔ dioxiacetonfosfat aldehidă-3-fosfoglicerică + dioxiacetonfosfat → fructozo-1,6-difosfat fructozo-1,6-difosfat → glucozo-1,6-difosfat → glucozo-1-fosfat → glucoză Această succesiune de reacŃii este catalizat de enzimele: trizofosfat izomerază, aldolază şi kinază. Procesul de fotosinteză este puternic endergonic, pentru formarea unei molecule de hexoză fiind necesare 8 molecule de ATP şi 12 (NADPH + H+) conform ecuaŃiei: 6CO2 + 8 ATP + 12 (NADPH + H+) → Fructozo-1,6-fosfat + 18 ADP + 12NADPH+ Pentru fiecare moleculă de glucoză formată se înmagazinează 675 kcal. Moleculele de aldehidă fosfoglicerică pot traversa membranele cloroplastului şi ajungând în citoplasmă formează hexozele (cu 6 atomi de carbon). Prin condensarea a două molecule de aldehidă fosfoglicerică rezultă glucozo-1,6-difosfatul, iar prin condensarea unei molecule de aldehidă fosfoglicerică cu una de dioxiacetonfosfat, rezultă fructozo-1,6difosfatul. Dintr-o moleculă de glucoză şi una de fructoză rezultă zaharoza, care se depozitează temporar în vacuole la plantele zaharofile. Interconversia monoglucidelor şi a derivaŃilor lor. Plecând de la hexozele fotosintetizate în etapa anterioară, cea mai importantă cale de formare a monoglucidelor şi a derivaŃilor lor este interconversia prin intermediul esterilor. Astfel, glucozo-1-fosfatul formează esteri cu acizii nucleozid-5-difosforici (UDP, D-Glucoza

Mezoinozitol - 1-fosfat

ATP D-Glucozo-6-fosfat

Mezoinozitol Acid D-glucuronic

D-Glucozo-1-fosfat

Acid L-gulonic L-Arabinoza

UDP UDP - l - RAMNOZA

UDP-D-glucoza

D-Glucuronat-1-fosfat

UDP-L-arabinoza

UTP L-Ramnoza

UDP-D-galactoza

D-Galactoza

Acid glucuronic

Acid glucuronic

Acid UDP-D-glucuronic

Acid UDP-D-glucuronic

UDP-D-xiloza

D-Xiloza

____________________________________________________________________________________________________________________________________________

110

.

Biochimie horticolă

CDP, GDP), prin intermediul cărora sunt sintetizate hexoze, pentoze, ciclitoli, acizi hexuronici, oligoglucide etc. De exemplu, din uridindifosfoglucoza prin epimerizare şi reducere se formează UDP-L-rhamnoza, prin izomerizare, UDP-D-galactoza, prin oxidare, acid UDP-glucuronic, având loc următoarele reacŃii: Interconversia monoglucidelor şi a derivaŃilor lor are loc sub acŃiunea enzimelor. Astfel, în fructele de citrice, flavoproteinele catalizează oxidarea D-glucozei, D-galactozei, Dxilozei, celobiozei, lactozei şi maltozei până la acizii aldonici corespunzători; izomerazele prezente în legume şi fructe sunt răspunzătoare de convertirea D-xilozei şi D-ribozei în Dxiluloxă şi respectiv D-ribuloză, în timp ce D-glicero-L-galactooctuloza şi D-eritro-L-glucononuloza din fructele de avocado se formează din dihidroxiacetonfosfat şi D-xiloză, respectiv D-manoză; în prezenŃa D-glucitol-dehidrogenazei are loc dehidrogenarea fructozei cu formare de sorbitol. DerivaŃii aminoglucidici, cum este D-glucozamina, se sintetizează prin aminarea Dfructozo-6-fosfatului cu glutamină sau asparagină. Esterii fosforici ai glucidelor sunt sintetizaŃi în procesul de fotosinteză şi se pot transforma sub acŃiunea fosfoizomerazelor prin izomerizări de tip aldoză - aldoză sau aldoză cetoză. Ciclul acidului glioxilic se desfăşoară în glioxizomi şi reprezintă principala cale prin care lipidele din seminŃele plantelor oleaginoase pot sintetiza glucidele necesare pentru procesul de creştere.

Acetil CoA rezultată din β-oxidarea acizilor graşi reacŃionează cu acidul oxalacetic, formând ____________________________________________________________________________________________________________________________________________

111

.

Biochimie horticolă

acid citric şi coenzima A (CoA-SH). Acidul citric este transformat în prezenŃa aconitazei în acid izocitric. În prezenŃa izocitrat liazei, acidul izocitric se rupe într-o moleculă de acid glioxilic şi una de acid succinic. Acidul glioxilic împreună cu o moleculă de acetil CoA formează acidul malic, care regenerează acidul oxalacetic, iniŃiindu-se astfel un nou ciclu. Acidul succinic poate fi transportat în mitocondrii, unde este metabolizat prin ciclul Krebs până la acid oxalacetic. Transportat în citoplasmă, acidul oxalacetic formează acid piruvic, care prin gluconeogeneză generează glucoză, fructoză sau zaharoză. Biosinteza oligoglucidelor. Zaharoza se formează din uridindifosfo-glucoză şi fructozo-6-fosfat sau fructoză, conform următoarelor scheme de reacŃii: zaharozo-

UDP-glucoza + fructozo-6-fosfat

UDP-zaharozofosfat

fosfatază

fosfatsintetaza

→ zaharoză + H3PO4 sau UDP-glucoză + fructoză

zaharozosintetază

zaharoză + H3PO4

Ambele reacŃii enzimatice sunt reacŃii de transglicozilare între un donor de rest glicozil (UDP-glucoza) şi un acceptor de rest glicozil (fructozo-6-fosfat, respectiv fructoza). Zaharoza reprezintă principala formă de transport a glucidelor în plante, glucoza şi fructoza constituie substrat pentru procesul de respiraŃie şi pentru interconversia monoglucidelor, iar compuşii intermediari, rezultaŃi din biodegradarea acestora, sunt utilizaŃi pentru biosinteza celorlalte substanŃe organice din plante. Rafinoza se formează prin transferul restului D-galactozil din UDP-D-galactoză la zaharoză: UDP-D-galactoză + zaharoză

rafinoză + UDP.

Biosinteza poliglucidelor. Din monoglucidele fosforilate se formează poliglucidele: amidon, celuloză, substanŃe pectice. Biosinteza amidonului are la bază glucoza care este fosforilată în citoplasmă în prezenŃa enzimei ADP-pirofosforilază. Rezultă ADP-glucoza care pătrunde în amiloplaste, unde în prezenŃa enzimei amidonsintetază sunt polimerizate prin legături α-1,4-glicozidice. Se formează astfel lanŃuri neramificate, alcătuite din molecule de glucoză legate α-1,4glicozidic, care reprezintă moleculele de amiloză . Legăturile α-1,6-glicozidice se formează sub acŃiunea enzimei Q, rezultând lanŃuri lungi alcătuite din molecule de glucoză legate α-1,4-glicozidic, care au lanŃuri laterale legate α-1,6-glicozidic. Aceste lanŃuri ramificate reprezintă moleculele de amilopectină. Prin depunerea moleculelor de amiloză şi amilopectină sub forma unei spirale are loc formarea granulei de amidon. ____________________________________________________________________________________________________________________________________________

112

.

Biochimie horticolă

Amidonul se sintetizează şi depozitează temporar în frunze, unde, după o prealabilă hidroliză în prezenŃa amilazei se scindează în moleculele componente ce se transformă în zaharoză. Sub această formă se translocă în fructe şi alte organe de depozitare a plantelor, la nivelul cărora se depozitează sub formă de amidon – substanŃă de rezervă. Biosinteza celulozei se realizează la nivelul pereŃilor celulari cu ajutorul unui sistem enzimatic în formă de rozetă situat în plasmalemă capabil să sintetizeze celuloza din UDPglucoză. Complexele în formă de rozetă sunt proteine hexamere, cu diametrul de aproximativ 25 nm, care conŃin în interior celulozo-sintaze ce formează catene individuale de celuloză. La trecerea UDP-glucozei prin aceste complexe enzimatice, are loc legarea β-1,4glicozidic a moleculelor de glucoză rezultând, pe faŃa externă a plasmalemei, lanŃuri de glucani (celuloză). Prin deplasarea complexelor în formă de rozetă în plasmalemă, la nivelul peretelui celular se formează aceşti glucani care dau naştere microfibrilelor celulozice. DirecŃia de deplasare a complexelor în formă de rozetă este determinată de poziŃia microtubulilor situaŃi de o parte şi de alta a acestor complexe. Biosinteza substanŃelor pectice are la baza transformarea UDP-D-glucozei în acid glucuronic, care la rândul său se transformă în acid galacturonic, precursor al acizilor pectici. În

reacŃiile biochimice care au loc, la nivelul complexului Golgi, rezultă acidul pectic

neesterificat. Includerea în lanŃul acizilor pectici a rhamnozei poate fi explicată prin următoarea succesiune de reacŃii: UDP-D-glucoza

UDP-D-galactozaa

UDP-D-glucuronisilpiranoza

UDP-D-galacturonisilpiranoza

UDP-D-xiloza

UDP-L-arabinoza

Galactan

Acid pectic Araban

UDP-L-ramnoza

Biosinteza substanŃelor pectice se realizează în două etape. În prima etapă care se desfăşoară în complexul Golgi, din glucoză se sintetizează acizi pectici şi în final acizi galacturonici. Aceşti precursori ai substanŃelor pectice sunt încorporaŃi în veziculele golgiene, cu rol de transportori. În timpul diviziunii celulare aceste substanŃe sunt eliberate în zona fragmoplastului, unde în prezenŃa enzimelor specifice formează acizii poligalacturonici ce ____________________________________________________________________________________________________________________________________________

113

.

Biochimie horticolă

intră în compoziŃia substanŃelor pectice ce formează lamela mediană. În timpul creşterii celulelor, veziculele golgiene transportă acizii galacturonici până la nivelul plasmalemei, unde are loc un proces de exopinocitoză şi astfel sunt eliberaŃi la nivelul peretelui celular, unde are loc biosinteza substanŃelor pectice, în prezenŃa enzimelor specifice. 9.3.2. Biodegradarea glucidelor Poliglucidele de rezervă din legume şi fructe, de exemplu zaharoza, amidonul, se descompun prin degradare hidrolitică şi fosforolitică în monoglucide care sunt utilizate în procesul de glicoliză. În această etapă rezultă o parte din energia necesară desfăşurării proceselor celulare vitale. Poliglucidele de constituŃie (celuloza) din legume şi fructe nu prezintă un proces de biodegradare evidentă, conŃinutul acestora rămânând relativ constant. Biodegradarea poliglucidelor. Biodegradarea amidonului are loc sub acŃiunea α- şi β-amilazelor. α-Amilazele acŃionează asupra ambelor componente ale amidonului : amiloză şi amilopectină, produsele reacŃiei fiind dextrinele, maltoza şi D-glucoza. β-Amilazele catalizează reacŃia de hidroliză a legăturilor 1,4-α-glicozidice cu ruperea succesivă a unităŃilor de maltoză, începând cu capătul nereducător al moleculelor de amiloză şi amilopectină. Procesul de biodegradare a amidonului din legume şi fructe are ca efect creşterea conŃinutului în monoglucide, deşi o parte din acestea sunt metabolizate în continuare. Biodegradarea substanŃelor pectice are loc pe cale enzimatică sub acŃiunea pectinesterazei, protopectinazei, poligalacturonazei etc., care au fost identificate în numeroase legume şi fructe. Sub acŃiunea protopectinazei, protopectina se transformă în pectină solubilă. Acest compus este demetilat sub acŃiunea pectin-metilesterazei, rezultând alcool metilic şi acid pectic liber. Poligalacturonaza catalizează scindarea acidului pectic în acizi galacturonici. Biodegradarea oligoglucidelor. Biodegradarea zaharozei poate avea loc pe cale enzimatică, prin hidroliză, conform reacŃiilor: Zaharoza

invertaza

D-fructozil-enzima + D-glucoză;

D-fructozil-enzimă + H2O →

D-fructoza + enzimă;

Biodegradarea zaharozei este posibilă şi în prezenŃa zaharozo-sintetazei, reacŃie care este specifică fructelor tinere nematurate, care utilizează UDP-glucoza pentru biosinteza amidonului: zaharoza + UDP

invertaza

UDP-glucoza + fructoză.

____________________________________________________________________________________________________________________________________________

114

.

Biochimie horticolă

Biodegradarea monoglucidelor. Monoglucidele din legume si fructe pot fi degradate în două cicluri biochimice care se desfăşoară în citoplasmă, şi anume, ciclul glicolitic şi ciclul pentozofosfat. Ciclul glicolitic, cunoscut si sub numele de ciclul Embden-Meyerhof-Parnas (EMP), reprezintă calea anaerobă de degradare a hexozelor, caracteristică procesului respirator al celulei vii, în care glucoza suferă o serie de transformări care au ca rezultat formarea acidului piruvic. Prima reactie din ciclul glicolitic constă în formarea glucozo-6-fosfatului, fie din glucoză cu ajutorul hexokinazei, fie din glucozo-1-fosfat, ca urmare a acŃiunii catalitice a fosfoglucomutazei. Glucozo-6-fosfatul se transformă în fructozo-6-fosfat, iar prin consumarea unei molecule de ATP, acesta este convertit în fructozo-1-6-difosfat. PrezenŃa celor două grupări fosfat în moleculă, face posibilă slăbirea legăturii C3 - C4, iar fructozo- 1,6-difosfatul se

scindează

într-o

moleculă

de

aldehidă-3-fosfoglicerică

şi

o

moleculă

de

dihidroxiacetonfosfat. Amidon Fosforilazã CH2OH O

O C OH C O H3C

Acid piruvic Glucozo-1-fosfat

O P Fosfopiruvatkinaza

Fosfoglucomutazã

ATP ADP

CH2 O P O

CH2OH O

Glucozo-6-fosfat

Hexokinaza

ATP ADP Fosfohexoizomerazã CH2OH

O

O C OH C O P H2C

Enolaza

Glucoza

CH2 O P Fructozo-6-fosfat

Acid 2-fosfoenolpiruvic

O C OH Acid 2-fosfoenolgliceric H C O P HOH2C

ATP

Fosfogliceromutazã

Fosfofructokinazã ADP

CH2 O P O

H2C O P

Fructozo-1,6-difosfat Aldolazã H

H2C O P C O CH2O Dixidroxiaceton-fosfat

Triozofosfat izomeraza

O + P C H C OH H2C O P

NAD

O C OH Acid 3 fosfagliceric H C OH H2C O P ATP Fostaglicerokinaza ADP O NADH2 C O P H C OH H2C O P

Aldehida 3 fosfoglicerica

Acid 1,3-difosfogliceric

Biodegradarea glucozei în ciclul glicolitic.

____________________________________________________________________________________________________________________________________________

115

.

Biochimie horticolă

Oxidarea aldehidei-3-fosfoglicerice se realizează în prezenŃa gliceraldehid-3fosfodehidrogenazei, având loc concomitent reducerea unei molecule de NAD+ la NADH2 şi fosforilarea în prezenŃa H3PO4, produsul final al transformării fiind acidul 1,3-difosfogliceric. In

fază,

următoarea

3-fosfoglicerokinaza

catalizează

transformarea

acidului

1,3-

difosfogliceric, cu formarea unei molecule de ATP. ReacŃiile următoare conduc la formarea acidului 2-fosfoenolpiruvic care conŃine o legătura macroergică, prin hidroliza căreia este furnizată suficientă energie pentru sinteza ATP în etapa imediat urmatoare, din care rezultă acidul piruvic. Pentru fiecare molecula de hexoză degradată prin ciclul glicolitic se formează 8 molecule de ATP, ceea ce corespunde la o cantitate de energie eliberată de circa 60 kcal. Acesta reprezintă unica sursa de energie atunci când celulele sunt în condiŃii de anaerobioză. Ciclul pentozofosfat, cunoscut si sub denumirea de ciclul Dickens-Horecker, reprezintă o altă cale de biodegradare a monoglucidelor. In acest ciclu are loc oxidarea glucozo-6-fosfatului până la acid 6-fosfogluconic, în prezenŃa enzimei glucozo-6fosfatdehidrogenaza. Acidul 6-fosfogluconic format suferă o decarboxilare la nivelul C1, concomitent cu o nouă oxidare cu participarea NADP+-ului, rezultatul reacŃiei fiind ribulozo6-fosfatul. CO2 NADPH2

CH2OPO3H2 O H

NADP+

OH

Mg2+

CH2OPO3H2

H

C OH

H2O

H

C OH NADP

Mg2+

HO

O O

H

Glucoza-6 -fosfat

+

COOH

C

H

H

C O

Mg2+ H

C OH

H

C OH

C OH CH2OPO3H2

Glucono-5 -lacton-6-fosfat

H C OH

Ribulozo-5 -fosfat

CH2OPO3H2

Acid-6 -fosfogluconic

CH2OH

TPP Mg2+ CHO H

C OH

H

C OH

CH2OPO3H2 Erotrozo-4 -fosfat

OH H

CHO

C O

H

C OH

C

H

C OH

H

C OH

H

C OH CH2OPO3H2 Xilozo-5 -fosfat

CH2OPO3H2 Ribozo-5 -fosfat

TPP Mg2+ Sedoheptulozo-7 -fosfat CH2OH

CH2OH CHO H

C OH CH2OPO3H2

Aldehidã-3-fosfoglicericã

C O HO

C

H

OH

C

H

H

C OH

H

C OH

H

C OH

H

C OH

H

C OH

CH2OPO3H2 Fructozo-6 -fosfat

Aldehidã-3-fosfoglicericã CHO

C O H

C OH CH2OPO3H2

CH2OPO3H2

____________________________________________________________________________________________________________________________________________

116

.

Biochimie horticolă

Această pentoză, ribulozo-6-fosfatul, în urma reacŃiilor de transfer catalizate de transaldolaze şi transcetolaze, suferă o serie de transformări care duc la formarea esterilor fosforici cu 3, 4, 6 şi 7 atomi de carbon. Este foarte important de reŃinut faptul că, în cursul reacŃiilor biochimice, ia naştere riboza (C5) necesară sintezei acizilor nucleici, eritrozo-4fosfatul (C4) care participă în biosinteza compuşilor aromatici (acidul shikimic) şi NADP+ + H+-ul necesar pentru numeroase reacŃii de reducere ContribuŃia relativă a celor două cicluri de biodegradare a glucozei în procesul de creştere şi maturare al produselor horticole este diferită. La tomate verzi, glucoza este metabolizată în proporŃie de 73% prin ciclul glicolitic şi respectiv 27% prin ciclul pentozofosfat, iar la mere şi pere maturate la temperatura de 15°C, ciclul pentozofosfat este mai activ în preclimactericul fructelor, pentru ca în climacteric, glucidele sa fie mai intens metabolizate prin ciclul glicolitic. FotorespiraŃia este un proces caracteristic plantelor verzi autotrofe considerată de unii specialişti considerată de unii specialişti o „relicvă evoluŃionară”, care se desfăşoară concomitent cu fotosinteza. Atât în procesul de fotosinteză, cât şi în cel de fotorespiraŃie intervine aceeaşi enzimă-cheie: ribulozo-1,5-difosfat carboxilaza/oxidaza (RUBISCO), care în procesul de fotosinteză are rol de carboxilază, iar în cel de fotorespiraŃie acŃionează ca o oxidază, catalizând descompunerea ribulozo-1,5-difosfatului în acid fosfoglicolic şi acid fosfogliceric, în cloroplast.

____________________________________________________________________________________________________________________________________________

117

.

Biochimie horticolă

Acidul fosfoglicolic rezultat este defosforilat în cloroplast, apoi trece sub formă de glicolat în peroxizomi unde este oxidat cu formare de acid glioxilic şi apă oxigenată. Apa oxigenată este descompusă în prezenŃa peroxidazelor, iar acidul glioxilic este transformat în aminoacidul glicină printr-o reacŃie de transaminare. Glicina este transportată în mitocondrii, unde din două molecule de glicină se formează un mol de amoniac şi unul de serină. Serina este transportată din nou în peroxizomi, transformată în piruvat şi glicerat, formă sub care ajunge din nou în cloroplast, unde este fosforilată şi intră în ciclul Calvin sub formă de acid fosfogliceric. Biodegradarea ribulozo-1,5-difosfatului în procesul de fotorespiraŃie este caracteristică majorităŃii plantelor din zonele cu climat temperat. La aceste specii, intensitatea procesului de fotorespiraŃie reprezintă în medie 25-50% din fotosinteza netă şi creşte cu temperatura. Principalele procese de biosinteză, biodegradare şi interconversie a glucidelor în plante au fost ilustrate schematic în imaginea de mai jos:

Glucidele şi intermediarii sau produşii finali ai ciclurilor biochimice în care aceştia sunt implicaŃi reprezintă precursorii tuturor celorlalte substanŃe organice existente în plante.

____________________________________________________________________________________________________________________________________________

118

.

Biochimie horticolă

9.4. Metabolismul lipidic 9.4.1. Biosinteza lipidelor Biosinteza lipidelor are la bază glicerolul şi acizii graşi. Glicerolul se formează din reducerea dihidroxiacetonfosfatului rezultat din procesul de glicoliză sau de fotosinteză, iar acizii graşi rezultă din condensarea multiplă a unităŃilor de acetil CoA, existente în cloroplaste în concentraŃie de 50 µmoli. Se consideră că acetil Co A provine din mitocondrii şi este transportată sub formă de acetat liber sau sub formă de acetil-carnitină. Procesul de biosinteză a acizilor graşi se desfăşoară în stroma cloroplastelor din frunze şi în proplastidele din seminŃe şi rădăcini. În prima etapă a acestui proces acetatul liber este activat sub formă de acetil CoA, în prezenŃa enzimei acetil CoA sintetază. Acetil CoA, în prezenŃa dioxidului de carbon şi a enzimei acetil CoA carboxilază, formează o moleculă activă de malonil-CoA. Aceasta se leagă de o proteină acil transportoare (ACP), cu greutatea moleculară de 9 kDa, rezultând malonil-ACP. În continuare malonil-ACP intră în reacŃie de condensare cu acetil CoA, rezultând un compus cu 4 atomi de carbon. Prin condensări succesive se formează acizi graşi cu 16 şi 18 atomi de carbon, aceste reacŃii fiind catalizate de un sistem multienzimatic numit acid gras-sintaza formată din 6 enzime: β-cetoacil ACP sintaza, malonil-acetil transferaza, 3-hidroxacil-ACP dehidraza, enoil-ACP reductaza, βcetoacil-ACP reductaza şi o tioesterază terminală.

____________________________________________________________________________________________________________________________________________

119

.

Biochimie horticolă

IniŃial se sintetizează acizi graşi saturaŃi, care ulterior sunt desaturaŃi, astfel încât 75 % din acizii graşi din plante sunt nesaturaŃi. Desaturarea lipidelor are loc în membrana plastidelor şi a reticulului endoplasmatic neted, în prezenŃa unei desaturaze. Transportul acizilor graşi se face sub forma acidului oleic. Acesta se leagă de proteina acil-transportoare (ACP) formând acid oleic-ACP care este transportat prin membranele cloroplastului, prin citoplasmă, până în reticulul endoplasmatic neted. În acest organit celular are loc formarea acizilor fosfatidici, în urma a două reacŃii prin care se transferă acizii graşi, la glicerol-3-fosfat. Tot în reticulul endoplasmatic se formează diacilglicerolul, fosfatidil colina şi fosfatidil etanolamina şi are loc interconversia acizilor graşi, prin scurtarea sau alungirea lanŃului şi prin modificarea numărului de duble legături. Biosinteza acizilor graşi, în principal a acizilor palmitic şi oleic, este un proces care înmagazinează o cantitate mare de energie. Pentru fiecare unitate de acetat convertită în acizi graşi, se consumă 2 moli de NADPH+H+ şi 1 mol de ATP. Fosfatidil colina este utilizată este utilizată pentru formarea membranelor celulare şi în procesul de biosinteză a trigliceridelor, care se acumulează între cele două straturi de fosfolipide ale membranei plasmatice din diverticulele reticulului endoplasmatic neted. Această acumulare provoacă separarea bistratului lipidic în două jumătăŃi, iar una din jumătăŃi va constitui membrana noii formaŃiuni, care se dilată şi se ştrangulează formând sferozomul (oleozomul) organitul de depozitare a lipidelor de rezervă. Gradul de saturare a lipidelor biosintetizate este dependent de temperatură. La temperaturi coborâte se biosintetizează mai mulŃi acizi graşi nesaturaŃi, iar la temperaturi ridicate mai mult acizi graşi saturaŃi. Acest proces de sinteză a acizilor graşi nesaturaŃi, la temperaturi coborâte, contribuie la creşterea rezistenŃei plantelor la ger datorită posibilităŃii acestora de a-şi modifica faza de la sol la gel, care se desfăşoară la temperaturi mai coborâte. În cazul seminŃelor oleaginoase, lipidele de rezervă sunt utilizate în procesul de gluconeogeneză în care se biosinteza glucidele necesare pentru procesul de creştere. 9.4.2. Biodegradarea lipidelor Lipidele de rezervă, depozitate în sferozomi, sunt descompuse în prezenŃa lipazelor în glicerol şi acizi graşi. Aceste substanŃe străbat membrana organitului ajungând în citoplasmă unde are loc etapa a doua de biodegradare: Glicerolul rezultat din descompunerea lipidelor poate fi fosforilat în citoplasmă, de unde migrează în cloroplaste, unde intră în ciclul fotosintetic. În lipsa clorofilei şi în condiŃii de întuneric, glicerolul poate fi descompus pe calea: glicoliză

Glicerol

aldehidă-3-fosfoglicerică

Ciclul Krebs

acid piruvic

CO2 + H2O + energie

____________________________________________________________________________________________________________________________________________

120

.

Biochimie horticolă

Metabolizarea glicerolului în ciclul glicolitic până la acid piruvic determină formarea a 6 moli de ATP. Modul de transport al acizilor graşi din sferozomi în glioxizomi nu este bine precizat. S-a constatat că de multe ori sferozomii şi glioxizomii se află în contact direct, ceea ce favorizează transportul acestora dintr-un organit, în altul. Biodegradarea acizilor graşi are loc în glioxizomi şi numai într-o mică măsură în peroxizomi şi în mitocondrii. Acest proces se realizează prin β -oxidare, care se desfăşoară sub forma unei spirale (numită spirala lui Linen), fiecare spiră corespunzând cu formarea unui acid gras cu 2 atomi de carbon mai puŃin şi cu eliberarea unei molecule de acetil CoA (CH3CO - S-CoA). Această secvenŃă generează 5 moli de ATP, iar dintr-un acid gras cu 18 atomi de carbon, rezultă 9 moli de acetil CoA, care corespund cu 45 moli de ATP, respectiv 1.350 kJ energie biochimică.

Metabolizarea acetilcoenzimei A poate fi orientată şi în direcŃia resintezei acizilor graşi şi a lipidelor, pentru sinteza glucidelor prin gluconeogeneză, ca substrat în ciclul mevalonat etc. În seminŃele plantelor oleaginoase, procesul de β-oxidare se poate desfăşura şi în peroxizomi. Circa 10 % din acizii graşi din celule sunt biodegradaŃi în mitocondrii. Transportul acizilor graşi prin membrana mitocondrială se face după activarea acestora de către CoA-SH şi legarea de o moleculă de carnitină, cu formarea de acil-carnitină. În matricea mitocondrială, carnitina este eliberată, iar reziduul acil este transferat pe molecula de CoASH, rezultând acil-CoA care este biodegradat prin β-oxidare. ____________________________________________________________________________________________________________________________________________

121

.

Biochimie horticolă

Biodegradarea fosfolipidelor din membranele plasmatice are loc în prezenŃa fosfolipazelor. Acizii graşi rezultaŃi, sunt biodegradaŃi în prezenŃă lipoxigenazei, cu formare de hidroxiperoxizi ai acizilor graşi.

Aceştia sunt descompuşi în continuare, rezultând malonil-aldehidă, hidrocarburi volatile (etilenă, etan, pentan), acid jasmonic şi radicali liberi (superoxid, hidroxil). Acest proces se desfăşoară în citoplasmă. Ciclul acidului glioxilic se desfăşoară în glioxizomi şi prin acest ciclu se metabolizează o parte din acetil CoA rezultată din β-oxidarea acizilor graşi, fiind principala cale prin care lipidele de rezervă din seminŃele plantelor oleaginoase pot sintetiza glucidele necesare procesului de creştere.

9.5. Metabolismul proteinelor 9.5.1.Biosinteza şi interconversia aminoacizilor Biosinteza aminoacizilor are la bază cetoacizii rezultaŃi din procesul de biodegradare a glucidelor prin ciclul glicolitic şi ciclul Krebs. Prin aminare reductivă, în prezenŃa glutamat sintetazei identificată în citoplasma celulelor din rădăcină şi frunze şi a glutamat dehidrogenazei localizată în cloroplastele frunzelor şi mitocondriile celulelor rădăcinii, se formează aminoacizi. Biosinteza aminoacizilor şi interconversia acestora este prezentată mai jos remarcându-se compuşii iniŃiali utilizaŃi, aminoacizii rezultaŃi şi localizarea biosintezei. Astfel: - Din piruvat se biosintetizează: valina, leucina şi izoleucina, în cloroplaste. - Din glutamat se biosintetizează: arginina, prolina şi ornitina, în cloroplaste. - Din fosfoglicerat se biosintetizează: glicina, serina şi cisteina, în peroxizomi, mitocondrii şi cloroplaste.

____________________________________________________________________________________________________________________________________________

122

.

Biochimie horticolă

- Din fosfoenolpiruvat se biosintetizează: triptofanul, fenilalanina şi tirozina, în cloroplaste.

- Din oxalacetat se biosintetizează acidul aspartic, lizina, homoserina, metionina şi treonina, proces ce se desfăşoară în plastide, necesitând un consum mare de energie (Brian, 1990). - Din ribulozo-5-fosfat se formează histidina. În procesul de biosinteză a aminoacizilor din cloroplaste, se utilizează atât amoniul rezultat din reducerea nitraŃilor, cât şi cel produs în procesul de fotorespiraŃie, iar coordonarea procesului se realizează pe cale genetică. Astfel, în plantele Arabidopsis au fost identificate genele ASP-3 care codifică sinteza aspartat

aminotransferazei,

genele

GDH

pentru glutamat-dehidrogenază, GLT pentru glutamat-sintază şi GLN-1 pentru glutaminsintază. Lumina

reglează

metabolismul

azotului prin modificarea expresiei genelor care codifică sinteza enzimelor. Astfel, la lumină are loc represia genei ASN-1 care codifică sinteza asparagin sintetazei. Se consideră că această acŃiune a luminii se realizează prin intermediul fitocromilor, dar mecanismul nu este bine precizat. ____________________________________________________________________________________________________________________________________________

123

.

Biochimie horticolă

Aminoacizii dintr-o serie, se pot transforma unii în alŃii, prin procesul de interconversie care are loc în citoplasmă. 9.5.2.Biosinteza proteinelor Aminoacizii sunt utilizaŃi pentru biosinteza proteinelor în procesul de translaŃie a informaŃiei genetice. Genele sunt purtătoarele fiecărei informaŃii genetice a fiecărui caracter ereditar. Fiecare genă reprezintă un fragment de ADN în care informaŃia genetică este codificată printr-o secvenŃă caracteristică de nucletide. O mutaŃie la nivelul unei gene se traduce printr-o proteină modificată, a cărei activitate biologică este alterată sau dispare. Uneori mutaŃia poate avea efect favorabil, conferind organismului un caracter benefic. EvoluŃia speciilor are la bază tocmai selecŃia naturalaă a mutaŃiilor favorabile. Biosinteza proteinelor are la bază transferul de informaŃie de la ADN la proteină prin intermediul ARN şi a codului genetic constituit din codoni. Un codon reprezintă o succesiune de 3 nucleotide care codifică un aminoacid. În biosinteza unei proteine aminoacizii se succed exact în ordinea în care se succed codonii în ARNm. Există 64 de codoni, din care doar 61 codifică cei 20 de aminoacizi, iar 3 sunt codoni non-sens, care indică sfârşitul mesajului, al informaŃiei genetice şi prin urmare a biosintezei proteinei. Tabelă-Standard-Codon care arată cele 64 posibilităŃi de codificare a aminoacizilor. 2. Bază U C A G

1. Bază

UUU Fenilalanina UUC Fenilalanina U UUA Leucina UUG Leucina

UCU Serina UCC Serina UCA Serina UCG Serina

UAU Tirosină UAC Tirosină UAA Stop UAG Stop

UGU Cisteină UGC Cisteină UGA Stop/Selenocisteină UGG Triptofan

CUU Leucină CUC Leucină C CUA Leucină CUG Leucină

CCU Prolină CCC Prolină CCA Prolină CCG Prolină

CAU Histidină CAC Histidină CAA Glutamină CAG Glutamină

CGU Arginină CGC Arginină CGA Arginină CGG Arginină

AUU Isoleucină AUC Isoleucină A AUA Isoleucină AUG Metionină/Start

ACU Treonină ACC Treonină ACA Treonină ACG Treonină

AAU Asparagină AAC Asparagină AAA Lisină AAG Lisină

AGU Serină AGC Serină AGA Arginină AGG Arginină

GUU Valină GUC Valină G GUA Valină GUG Valină

GCU Alanină GCC Alanină GCA Alanină GCG Alanină

GAU Acid aspartic GAC Acid aspartic GAA Acid glutamic GAG Acid glutamic

GGU Glicină GGC Glicină GGA Glicină GGG Glicină

Culoarea stabilită aminoacizilor: hidrofob (nepolar) hidrofil neutru (polar) hidrofil se poate încărca pozitiv = bazic hidrofil se poate încărca negativ = acid

____________________________________________________________________________________________________________________________________________

124

.

Biochimie horticolă

Codul genetic este universal, de la virusuri şi bacterii până la plante şi animale superioare, inclusiv om. Mecanismul codificării se realizează prin transcripŃie şi translaŃie. transcripŃie

ADN

translaŃie

ARNm

proteină

În plante se află trei situsuri de transcripŃie a informaŃiei genetice: în nucleu, mitocondrii şi cloroplaste şi patru situsuri de translaŃie: în citoplasmă, cloroplaste, mitocondrii şi reticulul endoplasmatic rugos. Prin transcripŃie are loc biosinteza ARNm pe baza informaŃiei din ADN prin transcrierea exactă a succesiunii de codoni ai genei în macromolecula acestuia. Biosinteza proteinelor, respectiv asamblarea aminoacizilor în lanŃul de polipeptide se realizează în ordinea dictată de ARNm, în procesul de translaŃie.

Sinteza proteinelor implică următoarele componente moleculare:

Etapele biosintezei proteinelor: 1) Activarea aminoacizilor se realizeză în prezenŃa enzimei aminoacil-ARNt-sintetaza, caracteristică fiecărui aminoacid, care catalizează legarea aminoacidului de AMP, apoi transferul acestuia pe molecula de ARNt specific, care conŃine anticodonul ce va recunoaşte secvenŃa de nucleotide din ARNm. Sub această formă, fiecare aminoacid este transportat la polizomi, locul de biosinteză a proteinelor. 2) IniŃierea biosintezei lanŃului polipeptidic se realizează cu participarea unor factori de iniŃiere care asamblează ribozomii pe ARNm, formând polizomii, concomitent cu recunoaşterea codonului de iniŃiere AUG a biosintezei de către metionin-ARNt, la capătul 5’ al ARNm. 3) ElongaŃia lanŃului peptidic conduce la biosinteza polipeptidei prin formarea treptată a legăturilor peptidice între aminoacizi. După fixarea primului aminoacil-ARNt pe ribozomi la situsul P (peptidil) are loc selectarea următorului aminoacil-ARNt şi fixarea acestuia la situsul A (aminoacil) pe baza recunoaşterii specifice codon (al ARNm) – anticodon (al ARNt), cu participarea GTP şi a unor factori de elogaŃie.

____________________________________________________________________________________________________________________________________________

125

.

Biochimie horticolă

____________________________________________________________________________________________________________________________________________

126

.

Biochimie horticolă

Formarea legăturilor peptidice, catalizată de o peptidil-transferază are loc între gruparea –NH2 a aminoacidului nou adus şi gruparea –COOH a celui legat deja de lanŃul peptidic iniŃiat. Pe măsură ce se formează, polipeptida rămâne legată de ribozom prin ARNt specific ultimului aminoacid ataşat, în situsul P. În continuare are loc translocarea peptidil-ARNt pe situsul P, iar ribozomul se deplasează faŃă de ARNm spre capătul 3’ pentru a permite codonului următor să fixeze în situsul A un aminoacil-ARNt cu anticodonul complementar. După realizarea legăturii peptidice şi ataşarea aminoacidului la peptida existentă procesul se reia până la transducŃia întregului mesaj înscris în molecula de ARNm. Moleculele de ARNt eliberate după legarea aminoacizilor în lanŃul peptidic trec în citoplasmă, matricea mitocondrială sau stromă şi participă la activarea şi transportul altor molecule de aminoacizi la locul de sinteză a proteinei respective. 4) Încetarea biosintezei proteice se realizează în momentul apariŃiei codonilor non-sens (UAA, UAG sau UGA) din molecula de ARNm pe ribozomul funcŃional. Aceşti codoni pun punct mesajului, biosinteza lanŃului peptidic este sistată şi în, acelaşi timp, se rupe legătura dintre peptidă şi ARNt care a transportat ultimul aminoacid. Proteina astfel sintetizată este pusă în libertate în configuraŃia tridimensională caracteristică, dată de resturile de cisteină sau de aminoacizii hidrofobi. După eliberarea proteinei native are loc şi eliberarea ribozomilor de pe ARNm, precum şi a ARNt, aceştia putând relua procesul de biosinteză al altei proteine. În cloroplaste se biosintetizează proteine specifice şi îndeosebi subunităŃi ale enzimei ribulozo-1,5-difosfat carboxilaza, în mitocondrii se biosintetizează proteinele mitocondriale, în citoplasmă proteinele citoplasmatice şi unele enzime, iar în reticulul endoplasmatic rugos proteinele de rezervă, cele care intră în constituŃia pereŃilor celulari şi unele enzime specifice. În acest organit se sintetizează şi protein enzimele din glioxizomi, peroxizomi, veziculele proteice şi sferozomi. Proteinele din cloroplaste şi din mitocondrii rezultă din polipeptidele sintetizate în aceste organite şi în citoplasmă. SubunităŃile polipeptidice mici biosintetizate în citoplasmă sunt transportate prin membranele cloroplastelor sau a mitocondriilor, iar şi apoi sunt asamblate în aceste organite, în prezenŃa unor enzime specifice. În plante se sintetizează mii de proteine; unele se acumulează şi se depozitează la locul de sinteză, în timp ce altele sunt transportate spre alte situsuri. Proteinele care sunt transportate au legate “domenii-Ńintă” care au rolul unor adrese legate de moleculă. Aceste domenii-Ńintă sunt alcătuite din polipeptide scurte sau aminoacizi care se găsesc situaŃi la unul din capetele proteinei, sau la ambele capete.

____________________________________________________________________________________________________________________________________________

127

.

Biochimie horticolă

Transportul proteinei prin membranele fosfolipidice se face prin pori sau prin canale. Proteinele care sunt transportate prin pori se leagă de o moleculă chaperon, care are greutatea moleculară de 70 kDa. Proteinele sintetizate în reticulul endoplasmatic se acumulează ca proteine de rezervă în vezicule proteice sau intră în ciclul secretor în care este implicat şi complexul Golgi, plasmalema şi tonoplastul. Aceste proteine au domeniul de Ńintă alcătuit din glicani care sunt legaŃi de capătul amino al lanŃului. PrezenŃa acestuia permite polipeptidelor să se ansambleze în oligomeri. Proteinele sintetizate în citoplasmă intră în alcătuirea citoplasmei sau sunt transportate în plastide, mitocondrii, nucleu şi peroxizomi. Peptidele transportate în plastide au la capătul amino al lanŃului peptidic moleculesemnal alcătuite din 40–50 aminoacizi care au rolul de a recunoaşte transportorii membranari şi locul de transport - porii care se formează în locurile în care membrana externă şi cea internă ajung în contact. Este un transport transmembranal activ. Transportul peptidelor în mitocondrii se face activ prin două proteine transportoare, deoarece membrana externă şi cea internă nu ajung în contact. Polipeptidele destinate nucleului sunt transportate prin porii nucleari. Aceste proteine au un domeniu de Ńintă nucleară (NLSs). 9.5.3.Biodegradarea proteinelor Proteinele de rezervă, depozitate în veziculele proteice, sunt descompuse în prezenŃa proteazelor în aminoacizii corespunzători. Proteazele sunt biosintetizate în reticulul endoplasmatic rugos şi sunt transportate de veziculele derivate din acest organit până la proteinozomi, transportul prin membranele veziculelor proteice realizându-se prin pinocitoză. Aminoacizii rezultaŃi din biodegradarea proteinelor, străbat membrana veziculei proteice şi ajung în citoplasmă unde sunt dezaminaŃi. Rezultă amoniac, care poate fi utilizat pentru biosinteza unor noi aminoacizi, şi cetoacizi care pot pătrunde în mitocondrii unde sunt biodegradaŃi prin ciclul Krebs. Utilizarea proteinelor ca substrat energetic are o importanŃă redusă în cazul plantelor. În general, aminoacizii rezultaŃi din biodegradarea substanŃelor proteice sunt folosiŃi pentru sinteza unor proteine noi, active sau de structură, care sunt necesare plantelor în etapa respectivă. Acest proces de reînnoire a proteinelor se desfăşoară pe toată durata de viaŃă a plantelor şi constituie una din căile de adaptare a metabolismului la condiŃiile mediului ambiant.

____________________________________________________________________________________________________________________________________________

128

.

Biochimie horticolă

9.6. Ciclul Krebs Biodegradarea glucidelor, lipidelor şi a proteinelor au o etapă comună, etapa finală care se desfăşoară în mitocondrii, şi utilizează acidul piruvic şi acetilCoA rezultate din etapele anterioare. Această etapă finală este cunoscută sub denumirea de respiraŃie aerobă şi se realizează în două etape: ciclul Krebs şi fosforilarea oxidativă din care rezultă energie, dioxid de carbon şi apă. Acest proces se desfăşoară în două etape: -

prima etapă - în matricea mitocondrială, unde substratul (acidul piruvic sau acetil CoA) este decarboxilat şi dehidrogenat, rezultând CO2 şi substanŃe puternic reducătoare NADH+H+, FADH2 sau macroergice GTP. ReacŃiile biochimice care au loc în această etapă sunt cunoscute sub denumirea de ciclul Krebs, ciclul acizilor tricarboxilici sau ciclul acidului citric.

-

cea de a doua etapă - în membrana internă mitocondrială (catena respiratorie), unde substanŃele puternic reducătoare rezultate din etapa anterioară se oxidează, eliberând H+ şi e- care sunt transportaŃi printr-un lanŃ de complexe transportoare de electroni, îi cedează O2 şi formează apa de respiraŃie. Protonii transportaŃi din spaŃiul intermembranal în matricea mitocondrială conform gradientului de concentraŃie prin ATP-sintază generează ATP-ul. Prima etapă a ciclului Krebs este reprezentată de decarboxilarea oxidativă a acidului

piruvic, în prezenŃa coenzimei A, reacŃie din care rezultă acetil CoA şi CO2. Protonii proveniŃi din dehidrogenare sunt acceptaŃi de NAD+, rezultând NADH+H+. Acetil CoA rezultată este fixată pe un acceptor: oxalacetatul, care o introduce în ciclul Krebs, prin formarea unei molecule de citrat, iar coenzima A este regenerată. Citratul este izomerizat în prezenŃa enzimei aconitază formând o moleculă de izocitrat care este decarboxilat la α-cetoglutarat şi dioxid de carbon, iar hidrogenul este transferat la NAD+, care se reduce la NADH+H+. α-Cetoglutaratul este decarboxilat în prezenŃa coenzimei A şi a enzimei cetoglutarat dehidrogenază, rezultând succinil CoA, dioxid de carbon şi NADH+H+, iar în etapa următoare succinil CoA este convertită la succinat şi GTP în prezenŃa enzimei succinil CoA sintetază. Succinatul este dehidrogenat în prezenŃa enzimei succinatdehidrogenaza cu formare de FADH2 şi fumarat, care este convertit în malat de către enzima fumarază. În ultima etapă are loc dehidrogenarea malatului la oxalacetat în prezenŃa enzimei malatdehidrogenază, iar hidrogenul rezultat din această reacŃie este utilizat la reducerea NAD-ului la NADH+H+.

____________________________________________________________________________________________________________________________________________

129

.

Biochimie horticolă

Prin urmare, CO2 se formează din decarboxilarea acizilor piruvic, izocitric şi αcetoglutaric, astfel dintr-o moleculă de hexoză rezultă 2 molecule de acid piruvic, prin metabolizarea cărora se formează 6 molecule de dioxid de carbon.

Din oxidarea şi dehidrogenarea acizilor piruvic, izocitric, α-cetoglutaric, succinic şi malic rezultă substanŃe puternic reducătoare NADH+H+ şi FADH2 care eliberează electronii şi a protonii la nivelul membranei mitocondriale interne în cea de-a doua etapă a respiraŃiei aerobe. Ciclul acizilor tricarboxilici sau ciclul Krebs reprezintă etapa finală a procesului de biodegradare a substanŃelor organice, ce se desfăşoară în mitocondrii şi din care rezultă întro primă etapă dioxid de carbon şi substanŃe puternic reducătoare, care prin oxidare, eliberează H+ şi e- ce sunt transportaŃi printr-un lanŃ de complexe transportoare de electroni şi cedaŃi O2, formând apa de respiraŃie şi ATP. 9.7. Biodegradarea anaerobă Plantele superioare, în condiŃii nefavorabile de mediu (anoxie), îşi procură energia necesară pentru desfăşurarea proceselor vitale, prin biodegradarea anaerobă a glucidelor de rezervă. ____________________________________________________________________________________________________________________________________________

130

.

Biochimie horticolă

Pentru unele bacterii şi ciuperci, aceasta reprezintă principala cale de producere a energiei. Plantele verzi însă, utilizează biodegradarea anaerobă

în fazele avansate de

maturitate, în cazul în care proporŃia de oxigen din mediul ambiant scade la 5-10 % când se poate desfăşura în paralel şi respiraŃia aerobă şi biodegradarea anaerobă şi în cazul unor concentraŃii ale oxigenului mai mici de 2%, când se desfăşoară aproape exclusiv biodegradarea anaerobă. RespiraŃia aerobă şi biodegradarea anaerobă a glucidelor, au o primă etapă comună, în care glucidele sunt biodegradate prin ciclul glicolitic. În etapele următoare, se găsesc însă numeroase deosebiri care constau în următoarele: - Din respiraŃia anaerobă nu rezultă apă endogenă, nu se produce dioxid de carbon sau cantitatea de dioxid de carbon este redusă. - Energia rezultată din procesul de respiraŃie anaerobă este de 24-33 de ori mai mică, comparativ cu cea produsă în respiraŃia aerobă. - Viteza de biodegradare a substratului respirator este mult mai mare, comparativ cu respiraŃia aerobă, corespunzător cu o cantitate sporită de substrat metabolizat. - Produşii finali ai respiraŃiei anaerobe sunt alcoolul etilic acidul lactic etc. ComparaŃie între respiraŃia aerobă şi biodegradarea anaerobă ________________________________________________________________________________________________________________

SpecificaŃia

RespiraŃia aerobă

Biodegradarea anaerobă

________________________________________________________________________________________________________________

Substratul utilizat

Glucide, lipide, proteine

Etapa de desfăşurare I II III Compuşii rezultaŃi din etapa a II-a Compuşii rezultaŃi din etapa a III-a Energia rezultată

Hidroliza amidonului (amiloplast) Ciclul glicolitic (citoplasmă) Ciclul Krebs (mitocondrii) Acid piruvic 6 CO2 şi 6 H2O 450 kJ/ mol acid piruvic

Ritmul de desfăşurare

Lent

CondiŃii de desfăşurare

Aerobe

Glucide Hidroliza amidonului (amiloplast) Ciclul glicolitic (citoplasmă) Calea alcoolică şi lactică (citoplasmă) Acid piruvic 2 CO2 + alcool etilic/acid lactic 30 kJ/ mol acid piruvic Rapid Anaerobe

_______________________________________________________________________________________________________________

Biodegradarea anaerobă a glucidelor din plantele superioare, care are loc în condiŃii de hipoxie, este

similară cu cea produse de microorganismele saprofite (fermentaŃie).

Deosebirile constau în faptul că biodegradarea anaerobă se desfăşoară în Ńesuturile vii ale plantelor, iar reacŃiile caracteristice sunt catalizate de enzimele sintetizate de către celulele ____________________________________________________________________________________________________________________________________________

131

.

Biochimie horticolă

acestora, în momentul in care se manifestă hipoxia. FermentaŃiile se desfăşoară în Ńesuturile vegetale moarte şi sunt catalizate de enzimele provenite din microorganisme. Mecanismul biodegradării anaerobe a glucidelor Atât pentru respiraŃia aerobă, cât şi pentru biodegradarea anaerobă, calea comună de biodegradare a glucidelor o reprezintă

ciclul

glicolitic, iar acidul piruvic rezultat este

metabolizat pe cale alcoolică sau lactică. Calea alcoolică de biodegradare a glucidelor, conduce la formarea a două molecule de alcool etilic, două molecule de dioxid de carbon şi 100,5-138,2 kJ energie, din care circa 60 kJ se conservă sub formă de energie biochimică în două molecule de ATP. C6 H12 O6

2 CO2 + 2 C2 H5 OH + E

ReacŃiile caracteristice pentru biodegradarea pe cale alcoolică constau în decarboxilarea acidului piruvic la aldehidă acetică, reacŃie catalizată de enzima piruvatdecarboxilază. În continuare aldehida acetică este redusă la alcool etilic, sub acŃiunea catalitică a enzimei alcooldehidrogenază. ReacŃiile de biodegradare care au loc în acest proces pot fi schematizate astfel: Ciclul glicolitic

C6 H12 O6

2 COOH-CO-CH3

glucoză

acid piruvic

2 CH3 - CHO

CH3 CH2 OH

aldehida acetică

alcool etilic

Formarea aldehidei acetice şi a alcoolului etilic prin biodegradarea anaerobă are loc în mod natural în Ńesuturile cu un grad mai avansat de maturitate. Acumularea acestor două substanŃe până la limita de toxicitate: 0,04 % pentru aldehida acetică şi 0,3 % pentru alcoolul etilic, conduce la moartea celulelor şi la brunificarea Ńesuturilor. Biodegradarea anaerobă a substanŃelor de rezervă se poate produce şi în cazul unor accidente: inundarea îndelungată a solului determină desfăşurarea unor reacŃii anaerobe în rădăcini, care conduc la formarea alcoolului etilic, lăsarea cartofilor timpurii pe sol sub acŃiunea radiaŃiilor solare sau depozitarea cartofilor de iarnă în spaŃii neventilate. Calea lactică de biodegradare a hexozelor conduce la formarea de acid lactic. Schema de desfăşurare a acestui proces este următoarea: Glicoliză

C 6 H12 O6 glucoză

2 COOH-CO-CH3 acid piruvic

NADPH+H+

2 COOH-CHOH-CH3 acid lactic

NADP

Din această reacŃie nu rezultă dioxid de carbon, deoarece acidul piruvic nu este decarboxilat. Formarea acidului lactic a fost constatată la fructele de tomate, în seminŃele care germinează în condiŃii de exces de umiditate, precum şi la tuberculii de cartof expuşi la condiŃii de anaerobioză. ____________________________________________________________________________________________________________________________________________

132

.

Biochimie horticolă

Biodegradarea acidului piruvic cu formarea de acid lactic este produsă şi de unele bacterii şi ciuperci. Microorganismele anaerobe sau parŃial anaerobe pot biodegrada glucidele şi cu formare de acid propionic (fermentaŃie propionică), acid butiric (fermentaŃie butirică) sau acid acetic (fermentaŃie acetică). Aceste tipuri de fermentaŃii sunt utilizate în industrie pentru prepararea caşcavalului, topirea inului şi a cânepei şi respectiv la obŃinerea oŃetului. Desfăşurarea procesului de biodegradare anaerobă a glucidelor de rezervă din organele plantelor menŃinute în atmosferă cu conŃinut scăzut de oxigen şi ridicat de dioxid de carbon, care generează condiŃii de anaerobioză parŃială sau totală, asigură supravieŃuirea acestora o perioadă scurtă de timp, prin utilizarea cantităŃilor reduse de energie biochimică, rezultată din aceste proces.

Autoevaluare 1. Ce este metabolismul? 2. Metabolismul energetic. 3. Enzime – structură, mecanism de reacŃie, exemple. 4. Biosinteza glucidelor – ciclul Calvin. 5. Biosinteza glucidelor – ciclul acidului glioxilic. 6. Biosinteza oligoglucidelor şi poliglucidelor. 7. Biodegradarea glucidelor. 8. Ciclul glicolitic. 9. Ciclul pentozofosfat. 10. FotorespiraŃia 11. Biosinteza lipidelor. 12. Biodegradarea lipidelor. 13. Biosinteza şi interconversia aminoacizilor. 14. Biosinteza proteinelor. 15. Biodegradarea proteinelor. 16. Ciclul Krebs. 17. ParticularităŃile biodegradării anaerobe.

____________________________________________________________________________________________________________________________________________

133

.

Biochimie horticolă

Bibliografie selectivă 1. Berg, J.M., Tymoczko, J.L., Stryer, L. 2003. Biochemie. 5. Auflage. Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg – Berlin , ISBN 3-8274-1303-6 2. Bodea, C. 1964. Tratat de biochimie vegetală. Partea I. Fitochimie. Vol.I. Ed Academiei RPR. 3. Burnea, I., Popescu, I., NeamŃu, G., Stancu, E., Lazăr, Şt. 1977. Chimie şi biochimie vegetală. EDP Bucureşti. 4. Burzo, I., Voican, V., Dobrescu, A., Delian, E., Bădulescu, L. 1999. Curs de Fiziologia plantelor. AMC USAMV Bucureşti. 5. Burzo, I., Dobrescu, A., Bădulescu, L., Mihăescu, D., Bălan, D. - Fiziologia plantelor, Volumul VIII - SubstanŃele utile din plante (2005) Ed. Elisavaros Bucureşti 6. Burzo, I., Delian, E., Dobrescu, A., Voican, V., Bădulescu, L. - Fiziologia plantelor de cultură - Volumul I Procesele fiziologice din plantele de cultură, ediŃie îmbunătăŃită, (2004), Ed. Ceres Bucureşti 7. Gherghi, A., Burzo, I., Bibicu, M., Mărgineanu, L., Bădulescu, L. 2001. Biochimia şi fiziologia legumelor şi fructelor. Ed. II-a revăzută şi completată. Ed. Academiei Române. 8. Ionescu, M. 1970. Biochimia agricolă. Ed. Ceres Bucureşti. 9. Lehninger, A.L. 1987. Biochimie. Vol.1. Ed. Tehnică Bucureşti. 10. Voet, D., Voet, J.G. 2004. Biochemistry. 3. Auflage. John Wiley & Sons Inc., London, ISBN 0-471-39223-5. 11. http://www.chem.qmul.ac.uk/iubmb/enzyme/

____________________________________________________________________________________________________________________________________________

134

.

Biochimie horticolă

CAPITOLUL 10. TRANSFORMAREA SUBSTANłELOR ÎN PLANTE Cuvinte cheie: metabolism, anabolism, catabolism, compuşi macroergici, enzime, cicluri biochimice.

Rezumat Transformarea substanŃelor în plante se realizează în cicluri biochimice localizate la nivel celular în diverse organite. Ca urmare a desfăşurării procesului de fotosinteză, la plantele verzi se biosintetizează glucide (trioze şi hexoze) care reprezintă precursori pentru biosinteza celorlalte substanŃe organice caracteristice plantelor autotrof fotosintetizante. O altă categorie de precursori sunt intermediarii rezultaŃi din procesele de biodegradare a substanŃelor organice de rezervă, în oricare din cele trei etape. SubstanŃele rezultate din aceste transformări au diferite roluri în viaŃa plantelor: ca substanŃe plastice, de rezervă, substanŃe active sau substanŃe secundare. Multitudinea şi complexitatea ciclurilor biochimice prin care substanŃele organice din plante sunt metabolizate explică numărul şi varietatea deosebit de mare a acestora în regnul vegetal. Ca urmare

a desfăşurării procesului de fotosinteză, la plantele verzi se

biosintetizează glucide: trioze şi hexoze. Din aceste substanŃe, la nivelul frunzelor se biosintetizează aminoacizi, hormoni, vitamine etc. care sunt transportate prin floem la toate celulele plantelor. Concomitent se sintetizează şi zaharoza care este transportată la toate organele şi celulele plantei unde este utilizată ca substrat energetic sau ca produs primar pentru biosinteza altor substanŃe organice caracteristice plantelor autotrof fotosintetizante.

____________________________________________________________________________________________________________________________________________

135

.

Biochimie horticolă

SubstanŃele rezultate din aceste transformări au diferite roluri în viaŃa plantelor: ca substanŃe plastice, de rezervă, substanŃe active sau substanŃe secundare. Biosinteza, interconversia şi biodegradarea glucidelor, lipidelor şi proteinelor au fost descrise pe larg în capitolul anterior, astfel că în acest capitol se vor face referiri cu precădere la ciclurile biochimice de biosinteză şi intertransformare a pigmenŃilor, hormonilor, terpenelor, În ciclul acidului γ-aminolevulinic, care se desfăşoară în cloroplaste, se biosintetizează pigmenŃii clorofilieni. SubstanŃele care sunt utilizate în acest ciclu biosintetic sunt: aminoacidul glicină şi succinil CoA, produsă în ciclul Krebs.

Din aceşti doi compuşi se formează acidul glutamic → 5-aminolevulinat → porfobilinogen → uroporfobilinogen → coproporfirinogen → protopofirinogen din care se formează protoporfirina IX. Prin încorporarea unui ion de magneziu, în prezenŃa chelaŃilor, rezultă Mg-protoporfirina IX. Aceasta se transformă în monovinil-protoclorofilida a, care în

____________________________________________________________________________________________________________________________________________

136

.

Biochimie horticolă

prezenŃa luminii, a NADPH, H+ şi protoclorofilid-oxidoreductaza formează clorofilida a. După esterificare cu fitolul (C20 H39 OH) formează clorofila a. Metabolismul terpenelor, se desfăşoară în ciclul mevalonat şi are ca produs iniŃial acetil CoA. În acest ciclu se sintetizează monoterpene, sesquiterpene, diterpene, triterpene şi tetraterpene, dintre care se pot menŃiona: linalool, limonen, gibereline, acidul abscisic, ubichinona, pigmenŃii carotenoizi etc. Biosinteza acestor substanŃe este coordonată

genetic, prin codificarea sintezei

enzimelor ce catalizează reacŃiile din acest ciclu: fitoen-desaturaza, fitoen-sintaza, hidroximetilglutaril- CoA reductaza,

geranilgeranil- pirofosfat sintaza, licopen ciclaza,

capsantin-capsorubin sintaza. În prima etapă a biosintezei terpenelor are loc formarea 3-hidroxi-3-metilglutarilCoA, din trei molecule de acetil CoA, reacŃie catalizată de o enzimă ce cofactor cu fier şi chinonă. În cea de a doua etapă, catalizată de hidroximetil-glutaril CoA

reductaza,

se

formează

mevalonatul. Prin decarboxilare şi fosforilare, din mevalonat rezultă izopentil pirofosfat (C5), din care se

formează

geranil

pirofosfat

(C10), farnesil pirofosfat (C15) şi geranilgeranil Aceste

pirofosfat

substanŃe

(C20).

reprezintă

precursori pentru diferitele terpene. Astfel, din geranil pirofosfat se formează monoterpenele: linalool şi limonen. Din farnesil-pirofosfat se formează sesquiterpenele şi squalenul.

Din

geranilgeranil-

pirofosfat

se

sintetizează

diterpenele, kaurenul care este precursorul giberelinelor şi a acidului abscisic şi fitoenul, care este precursorul pigmenŃilor carotenoizi. Localizarea la nivel celular a diferitelor etape a procesului de sinteză a terpenelor este dificilă. Izopentil pirofosfatul poate fi biosintetizat în toate structurile celulare unde se ____________________________________________________________________________________________________________________________________________

137

.

Biochimie horticolă

sintetizează terpene. Situsul specific pentru sinteza monoterpenelor îl constituie plastidele. Sinteza farnesil-pirofosfatului şi a sesquiterpenelor derivate, precum şi a triterpenelor incluzând fitosterolii, are loc în citoplasmă şi la nivelul reticulului endoplasmatic. Diterpenele se biosintetizează în plastide, unde a fost identificată activitatea gerenilgeranil-pirofosfat sintazei. În cloroplaste a fost identificată activitatea ent-kauren sintazei care catalizează sinteza ent-kaurenului, precursorul citochininelor. Tot în cloroplaste se biosintetizează pigmenŃii carotenoizi şi tocoferolii, iar ubiquinona este biosintetizată în mitocondrii şi microzomi. Biosinteza terpenelor are loc în toate celulele plantelor. În cazul speciilor care sintetizează cantităŃi mari de terpene, sinteza acestora are loc în celule specializate aşa cum sunt canalele rezinifere din frunzele de pin sau celulele rezinifere izolate din Thuja . În cazul plantelor angiosperme, monoterpenele sunt sintetizate în peri glandulari de pe frunzele de Mentha, în petalele sau pistilul florilor (ex. linalool), iar latexul în laticifere. Numeroase terpene cu 10 sau 15 atomi de carbon, cu grad mare de volatilitate, sunt cunoscute sub denumirea de uleiuri volatile şi conferă aroma caracteristică pentru unele organe ale plantelor: flori, fructe, seminŃe etc. Sterolii sunt alcătuiŃi din 5 unităŃi izoprenice, ca de exemplu: colesterolul, sitosterolul, stigmasterolul şi campesterolul şi se găsesc în compoziŃia membranelor plasmatice având rol în reglarea permeabilităŃii acestora. Unii compuşi izoprenoizi secretaŃi de rădăcinile plantelor sunt toxici pentru rădăcinile altor plante, fiind considerate substanŃe allelopate. Ciclul acidului shikimic are ca substrat eritrozo-4-fosfatul, produs în ciclul pentozofosfat. Rezultă fenolii, ligninele, antocianii şi aminoacizii fenolici aşa cum este triptofanul din care se biosintetizează auxina. Se consideră că în condiŃii normale aproximativ 20 % din carbonul fixat de plante este utilizat în ciclul shikimat. În acest ciclu, fosfoenolpiruvatul şi eritrozo-4-fosfatul se condensează într-un compus cu 7 atomi de carbon: 3 deoxi-D-arabino-heptulosonat-7-fosfat (DHAP), din care rezultă corismat, pe următoarea cale: DAHP → 3 dihidrochinat → 3 dihidroshikimat → shikimat → corismat. Corismatul reprezintă compusul iniŃial pentru 3 cicluri: -

din primul rezultă fenilalanina, ligninele şi flavonoidele,

-

din cel de al doilea triptofanul, auxinele, glucozinolaŃii, fitoalexinele şi alcaloizii

-

din cel de al treilea tirozina şi melaninele.

Enzima-cheie a ciclului acidului shikimic este fenilalaninamoniu liaza (PAL), care este legată de membrana reticulului endoplasmatic, cloroplastelor, mitocondriilor şi de ____________________________________________________________________________________________________________________________________________

138

.

Biochimie horticolă

membranele plasmatice.Leziunile mecanice şi atacul patogen induc formarea ARNm care codifică sinteza DAHP sintazei, stimulând ciclul shikimat. Enzimele care catalizează reacŃiile din acest ciclu sunt sintetizate în ribozomii din citoplasmă. Activitatea acestor enzime a fost pusă în evidenŃă în cloroplaste şi identificarea acesteia în citoplasmă este incertă.

O parte din aminoacizii care se formează în acest ciclu reprezintă la rândul lor precursori ai altor substanŃe. Triptofanul este precursorul hormonului de creştere auxină, fenilalanina este precursorul pigmenŃilor flavonoizi şi ai ligninelor, tirozina este precursorul ubichinonei, substanŃă transportoare de electroni în procesul de respiraŃie. În ciclul acidului shikimic, care se desfăşoară în reticulul endoplasmatic şi în citoplasmă, se biosintetizează şi acizii fenolici: p-cumaric, cinamic, cafeic, ferulic, clorogenic, precum şi galotaninurile. SubstanŃele fenolice pot stimula sau inhiba acŃiunea hormonilor, inhibă sinteza ATP-ului în mitocondrii, precum şi activitatea unor enzime, sau a curenŃilor citoplasmatici din celulele perilor absorbanŃi. Unele substanŃe fenolice (acidul ferulic, lunularic, clorogenic şi catechinele) au efect inhibitor asupra germinării seminŃelor. Prin oxidarea unor substanŃe ca tirozina din tuberculii de Solanum tuberosum, dopamina din banane, acizii fenolici din mere, în prezenŃa fenolazelor se formează melanine de culoare neagră, care conferă culoarea caracteristică pentru fructele lezate mecanic sau senescente. Unii fenoli constituie substanŃe allelopate: juglona produsă de Juglans regia, acidul salicilic produs de Quercus falcata, acidul ferulic produs de Adenostoma etc.

____________________________________________________________________________________________________________________________________________

139

.

Biochimie horticolă

DerivaŃii acidului cinamic au fost identificaŃi în vacuole şi în cloroplaste. Enzimele implicate în biosinteza substanŃelor flavonoide: calcon-flavon izomerază şi flavonoid hidrolază, au fost identificate în reticulul endoplasmatic şi în cloroplaste, iar substanŃele flavonoide au fost identificate în vacuole, spaŃiul extraplasmatic şi cloroplaste. Biosinteza substanŃelor flavonoide este coordonată genetic. Sinteza antocianilor se poate realiza în orice celulă vegetală, fiind localizată în citoplasmă pentru monomeri, dimeri şi trimeri şi în vezicule, denumite impropriu antocianoplaste, pentru produşii finali. Antocianii formaŃi sunt transportaŃi din aceste vezicule, în vacuolă, printr-un proces de pinocitoză, iar membranele veziculelor pot fi încorporate în tonoplast. Acizii organici rezultă din ciclul Krebs, iar substanŃele fenolice din ciclul acidului shikimic. Alcaloizii sunt substanŃe heterociclice azotate , care se găsesc în peste 13.000 de specii Majoritatea alcaloizilor vegetali provin din amine sau din aminoacizi şi numai o parte provin din precursori izoprenoizi în care azotul este încorporat într-o etapă târzie a ciclului biosintetic. Aşa este cazul solaninei din Solanum tuberosum şi a tomatidinei din Lycopersicon esculentum. Alcaloizii au fost identificaŃi în vacuole, cloroplaste şi spaŃiul extraplasmatic. Enzimele implicate în sinteza acestor substanŃe au fost identificate în membranele reticulului endoplasmatic, în plasmalemă şi în tonoplast. Dintre alcaloizi, nicotina are ciclul biosintetic mai bine studiat. Compuşii primari sunt arginina şi ornitina care sunt decarboxilate şi metabolizate la forma conjugată de putresceină. Biosinteza nicotinei are loc în vezicule mici, care provin din reticulul endoplasmatic sau din complexul Golgii şi care conŃin enzimele implicate în acest proces. Membrana acestor vezicule este permeabilă pentru compuşii terŃiari care se pot sintetiza în alte situsuri. Compuşii cuaternari formaŃi sunt eliberaŃi în vacuolă, în urma fuziunii acesteia cu vezicule. Glicozidele cianogene ca amigdalina şi prunasina au fost identificate în vacuolele celulelor, iar enzimele implicate în sinteza unor glicozide cianogene au fost identificate în membrana reticulului endoplasmatic. Glicozidele cianogene au fost identificate în peste 1.000 de specii, 500 genuri şi 100 familii de plante. Dintre aceste substanŃe, cele mai cunoscute sunt: amigdalina şi prunasina din Rosaceae şi sambunigrina din Caprifoliaceae. Aminele biogene sunt larg răspândite în plante atât ca amine simple (primare, secundare, terŃiare), cât şi ca amine cu diferite grupări funcŃionale (alcoolice, fenolice, carboxilice etc.).

____________________________________________________________________________________________________________________________________________

140

.

Biochimie horticolă

Dintre amine prezintă importanŃă putresceina, care se formează din ornitină (în Pisum, Nicotiana), cadaverina care se formează din lizină (în Lupinus, Pisum), triptamina care se formează din tirozină (în Hordeum, Lolium), dopamina care se formează din dihidroxifenil alanină. Putresceina, spermina şi spermidina interacŃionează cu acizii nucleici şi pot fi implicate în felul acesta în biosinteza proteinelor. Putresceina, cadaverina, spermina şi spermidina în concentraŃie de 10-4 - 10-6 M, stimulează procesul de creştere, iar dopamina reprezintă precursorul pentru formarea compuşilor melanoizi la banane. SubstanŃele volatile care conferă aroma fructelor reprezintă compuşi intermediari ai metabolismului: alcooli, aldehide, cetone, esteri, eteri etc., substanŃe cu grad ridicat de volatilitate. Autoevaluare 1. PrecizaŃi principalele cicluri biochimice din plante. 2. Ciclul acidului γ-aminolevulinic. 3. Ciclul mevalonat. 4. Ciclul acidului shikimic 5. Ciclurile de biosinteză a alcaloizilor, glicozidelor cianogene, aminelor biogene şi substanŃelor volatile din plante. Bibliografie selectivă 1. Berg, J.M., Tymoczko, J.L., Stryer, L. 2003. Biochemie. 5. Auflage. Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg – Berlin , ISBN 3-8274-1303-6 2. Bodea, C. 1964. Tratat de biochimie vegetală. Partea I. Fitochimie. Vol.I. Ed Academiei RPR. 3. Burnea, I., Popescu, I., NeamŃu, G., Stancu, E., Lazăr, Şt. 1977. Chimie şi biochimie vegetală. EDP Bucureşti. 4. Burzo, I., Voican, V., Dobrescu, A., Delian, E., Bădulescu, L. 1999. Curs de Fiziologia plantelor. AMC USAMV Bucureşti. 5. Burzo, I., Dobrescu, A., Bădulescu, L., Mihăescu, D., Bălan, D. - Fiziologia plantelor, Volumul VIII - SubstanŃele utile din plante (2005) Ed. Elisavaros Bucureşti 6. Burzo, I., Delian, E., Dobrescu, A., Voican, V., Bădulescu, L. - Fiziologia plantelor de cultură - Volumul I Procesele fiziologice din plantele de cultură, ediŃie îmbunătăŃită, (2004), Ed. Ceres Bucureşti 7. Gherghi, A., Burzo, I., Bibicu, M., Mărgineanu, L., Bădulescu, L. 2001. Biochimia şi fiziologia legumelor şi fructelor. Ed. II-a revăzută şi completată. Ed. Academiei Române. 8. Ionescu, M. 1970. Biochimia agricolă. Ed. Ceres Bucureşti. 9. Lehninger, A.L. 1987. Biochimie. Vol.1. Ed. Tehnică Bucureşti. 10. Voet, D., Voet, J.G. 2004. Biochemistry. 3. Auflage. John Wiley & Sons Inc., London, ISBN 0-471-39223-5. ____________________________________________________________________________________________________________________________________________

141